Informe Modelo Numerico Tuneles de Desvio Presa Santa Maria

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Modelo numérico del comportamiento de los túneles en el proyecto Santa Maria.

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PRESA SANTA MARA

OBRA DE DESVOTUNELES 1, 2 Y 3

MODELO MATEMTICO DEL FLUJO

CONTENIDO

1. INTRODUCCIN.....................................................................................................................................2

2. DESCRIPCIN DEL MODELO NUMERICO...........................................................................................7

3. MODELACIONES GENERALES DE LA OBRA DE DESVO................................................................13

4. CAPACIDAD DE DESCARGA DE LOS TUNELES...............................................................................15

5. CALCULO DEL NDICE DE CAVITACIN EN LOS TNELES 1, 2 Y 3........................17

6. CONCLUSIONES..................................................................................................................................23

1. INTRODUCCIN

La presa de Santa Mara, sobre el ro Baluarte en el estado de Sinaloa, forma parte del proyecto integral Baluarte-Presidio, que incluye tambin la presa de Picachos sobre el ro Presidio, y est destinada al almacenamiento de los recursos hdricos necesarios para la puesta en riego de una superficie se alrededor de 24,250 ha dentro de los municipios de Rosario y Escuinapa. La presa deber servir tambin para la generacin de energa hidroelctrica, control de avenidas, abastecimiento de agua para uso urbano y mantenimiento de los caudales ecolgicos.El proyecto incluye la construccin de una cortina con solucin de enrocamiento con cara o pantalla de concreto (E.C.C.) de alrededor de 120 m de altura sobre el cauce y 152 m sobre cimientos (desplante), con el nivel de la corona a la cota 200, y con una capacidad total de 980 Mm3 (NAME=196.5 m.s.n.m.), capacidad de conservacin de 811 Mm3 (NAMO=188.5 m.s.n.m.), capacidad til de 722.8 Mm3, capacidad al NAMINO de 88.2 Mm3 y capacidad de azolves de 60 Mm3. La longitud de la cortina por la corona es de 784 m. Los taludes exteriores de la cortina varan de acuerdo al tipo y tamao de los materiales.Adems de la cortina de enrocamiento con cara de concreto, la presa cuenta con dos obras de excedencias en la zona de la margen izquierda de la cortina, as mismo se construir una obra de toma para dar servicio al riego agrcola y a la generacin de energa elctrica, y un desage de fondo, estas ltimas estructuras (Obra de toma y Desage de fondo), se alojaran cada una en los tneles que se construirn para desviar el rio Baluarte y poder construir la cortina de la presa. La obra de desvo del ro Baluarte es indispensable para la construccin de la presa Santa Mara, esta obra tendr que dotar de un recinto seco en el sitio en donde se construir la cortina de la presa, este zona se mantendr seca durante casi toda la construccin de la misma.Para el desvo se propusieron tres tneles de seccin circular de 16 metros de dimetro cada uno, con dos ataguas una aguas arriba de la zona en donde se construir la cortina y la otra aguas abajo de la misma.Cabe mencionar que esta obra deber de ser capaz de conducir un gasto de 8,825 m3/s que es el gasto de diseo para una avenida con periodo de retorno de 50 aos.La altura de la atagua aguas arriba esta propuesta con una elevacin a la corona de la misma de 125.00 msnm, y la entrada de los tneles esta concebida a la cota 87.35 msnm, sin embargo el presente anlisis podr definir otra altura de atagua aguas arriba, ya que la misma depende en mucho de la capacidad de descarga de los tres tneles de la obra de desvo.Por otro lado la geometra de los tres tneles de desvo est definida por su alineamiento horizontal, por su alineamiento vertical (perfil) y por su seccin transversal, los dos primeros alineamientos ya estn definidos, y el cambio o modificacin de alguno de ellos no ser de relevancia sobre todo para la capacidad de descarga de los tneles, pero la modificacin en la seccin transversal de estos elementos si sera relevante, por eso se determino analizar otra alternativa distinta a la seccin circular de 16 metros en los tres tneles, la seccin propuesta es la seccin portal de medio punto, dejando la parte superior con seccin circular con 16 metros de dimetro y la parte inferior con seccin rectangular de 16 metros de ancho y altura de 8 metros, como se observa en la siguiente figura:Figura 1.1. Secciones de los tneles propuestas en el anlisis

Cabe mencionar que cada seccin propuesta tiene sus ventajas y desventajas, sin embargo en este anlisis solo nos referiremos a las condiciones hidrulicas y a la capacidad de descarga de cada una de ellas.Otro punto de anlisis se encuentra en la estructura de entrada a los tneles es decir a las transiciones entre el vaso de la presa y a los tneles de desvo, estas estructuras de transicin servirn tambin para colocar los obturadores de los propios tneles, como ya se menciono en este anlisis solo nos limitamos a la condicin hidrulica, estas estructuras se definieron con dos vanos y con tres vanos, las prdidas hidrulicas del paso del agua en las estructuras de transicin son importantes, de tal forma que estas estructuras tambin formaran parte de las alternativas del anlisis.Figura 1.2. Estructura de transicin con dos vanos

Figura 1.3. Estructura de transicin con tres vanos

La topografa de la zona de anlisis se obtuvo directamente de mediciones de campo, as mismo las posiciones geogrficas de los tajos de entrada y salida as como las de las ataguas aguas abajo y arriba se obtuvieron del proyecto de la presa.Se presenta una imagen del modelo topogrfico - geomtrico que sirvi de base para este anlisis.Figura 1.4. Modelo topogrfico y geomtrico en la obra de desvo

Vista de la margen izquierda del rio Baluarte, se muestra el tajo de entrada a los tneles de desvo, as como las ataguas de aguas arriba y aguas abajo.Figura 1.5. Modelo topogrfico y geomtrico en la obra de desvo, salida de los tneles

Para determinar la capacidad de descarga de los tneles de desvo se determino que el nivel del agua en el vaso de la presa se incrementara desde la cota 85 msnm a la cota 125 msnm, considerando que el umbral de entrada de los tneles es la cota 87.35 msnm, y los tneles cuenta con una altura a la clave de 103.35 msnm, el rango de inundacin en el vaso cubre perfectamente toda la seccin de los tneles, trabajando estos a presin, al menos en un parte de estos. La geometra de los tneles cuenta con una curva horizontal con un radio distinto para cada tnel y diferente longitud en su desarrollo, la pendiente de los mismos tambin vara ya que se mantiene para los tres tneles la misma cota de entrada y la misma cota de salida.Figura 1.6. Modelo geomtrico en los tneles de la obra de desvo

El anlisis hidrulico consisti en obtener la capacidad de conduccin de los tres tneles obteniendo la curva de elevaciones en el vaso vs. capacidad de descarga tomando en cuenta las siguientes alternativas:- Alternativa 1.- 3 tneles circulares de 16 m de dimetro y una estructura de entrada con 3 vanos.- Alternativa 2.- 3 tneles circulares de 16 m de dimetro y una estructura de entrada con 2 vanos.- Alternativa 3.- 3 tneles seccin portal de 16 m de altura y 16 metros de ancho y una estructura de entrada con 3 vanos.- Alternativa 4.- 3 tneles seccin portal de 16 m de altura y 16 metros de ancho y una estructura de entrada con 2 vanos.En todos los casos se determino lo siguiente con respecto a la rugosidad de Manning:Tnel 1 rugosidad 0.017, revestido de concreto simple.Tnel 2 rugosidad 0.021, revestido de concreto lanzado.Tnel 3 rugosidad 0.017, revestido de concreto simple.Terreno natural rugosidad 0.040En este informe se presentan las consideraciones sobre el modelo matemtico (numrico) hecho para el estudio del funcionamiento hidrulico de los tneles y sus estructuras de entrada. El principal objetivo de estas simulaciones es la evaluacin de las condiciones generales del flujo en los tneles. Como ya se menciono se analizaron las condiciones de flujo para niveles de agua en el vaso que varan desde la cota 85.00 msnm, a la cota 125.00 msnm, en estos anlisis se busco evaluar los siguientes aspectos. Capacidad de descarga de los tneles. Nivel del agua en el vaso para obtener la descarga de los tneles para un gasto similar al de diseo para un periodo de retorno Tr de 50 aos (8,825 m3/s). Fenmeno de cavitacin en diferentes secciones de cada tnel.

2. DESCRIPCIN DEL MODELO NUMERICOPara el anlisis numrico del flujo de agua en las estructuras que componen la obra de desvo (ataguas y tneles con sus estructuras de transicin en la entrada), se utiliz el software FLOW-3D basado en el mtodo de los volmenes finitos para la resolucin de las ecuaciones de Navier- Stokes. Con este software se puede modelar flujos tridimensionales de fluidos compresibles o no compresibles en estado transitorio y permanente. Este software fue utilizado para los anlisis en funcin de las siguientes caractersticas:Capacidad de modelar flujos tridimensionales con contornos complejos. Esta capacidad se debe a la utilizacin de un mtodo denominado FAVOR Fraccional rea/Volumen Obstacle Representation Method donde se establece una funcin de porosidad para la definicin de obstculos permeables o no. Con este mtodo es posible modelar contornos complejos aunque se est trabajando con una malla ortogonal de elementos.Capacidad de modelar flujos incompresibles con superficie libre. Como la definicin de la superficie libre es necesaria para la determinacin de configuracin de flujo en los tneles y zonas abiertas este aspecto es fundamental.Capacidad de analizar fenmenos turbulentos a travs de varios modelos, especficamente Mixing-Length, One-Equation Method, Two-Equation Method (), Renormalized Group Model (RNG) y Large Eddy Simulation.En trminos generales, el mtodo de los volmenes finitos utiliza el balance de la cuantidad de masa y movimiento en un elemento (volumen) para la discretizacin de las ecuaciones de Navier Stokes. Esta discretizacin resulta en un conjunt