experiencias de epm en la construccion de hodroelectricas

Experiencias de EPM en la

Construcción de Infraestructura

Subterránea

Seminario Centrales Hidroeléctricas

San Jerónimo, Antioquia

Sociedad Antioqueña de Ingenieros y Arquitectos

Agosto de 2012

Introducción: Experiencias de EPM en la

construcción de infraestructura subterránea:

45 minutos.

Contenido basado en presentaciones referenciadas de Proyectos

Hidroeléctricos de EPM.

Juan Carlos Gutiérrez M.

MSc Engineering Louisiana Tech University

Agosto de 2012

Experiencias de EPM en la construcción de

infraestructura subterránea

Esta presentación trata brevemente sobre los principales aspectos

técnicos y constructivos que se tuvieron en cuenta durante la

construcción de las centrales subterráneas de los proyectos

hidroeléctricos Porce II y Porce III, ambos de propiedad de las

Empresas Públicas de Medellín E.S.P.


infraestructura subterránea

El proyecto Porce II tiene una capacidad instalada de 405 MW y

está generando comercialmente desde abril de 2001; el proyecto

Porce III tiene una capacidad instalada de 660 MW y comenzó a

generar comercialmente en diciembre de 2010. Estos proyectos

constituyen un aporte valioso a la infraestructura subterránea del

negocio de generación de energía de Empresas Públicas de

Medellín E.S.P. y del país.

6

Localización de los proyectos

Figura 1. Localización de los Proyectos Porce II, Porce III y Porce IV de las Empresas Públicas de

Medellín E.S.P.

LOCALIZACIÓN GENERAL

PROYECTO PORCE II

PROYECTO PORCE IV

PROYECTO PORCE III

MEDELLÍN

En la figura 1 se muestra la localización de los proyectos. El proyecto Porce II se localiza a unos

120 Km al noreste de la ciudad de Medellín, el proyecto Porce III se localiza a unos 147 km al

noreste de Medellín, y el proyecto Porce IV se localiza a unos 200 Km, todos por la misma

carretera de acceso desde Medellín.

7

Descripción general de la central subterránea y

obras anexas del proyecto Porce II

Figura 2. Isométrico de las principales obras de la central subterránea del proyecto Porce II.

RÍO

PORCE

Caverna de Ventilación

(l = 24 m; w = 13 m; h = 8,4 m )

Almenara de Aguas Abajo

(l = 83 m; w = 12 m; h = 32 m;

Vol. exc. = 31000 m3 )

Túnel de Descarga

(l = 541 m; Ø exc. = 8,2 m) Pozo de Descarga

( h = 37 m; Ø exc. = 8,2 m)

Túnel de Acceso a

Casa de Máquinas

( l = 319 m)

Túnel de

Desviación

Distribuidor

Casa de Máquinas

(l = 94 m; w = 21,3 m;

h = 43 m; Cobertura = 160

m; Vol. exc. = 77000 m3 )

Blindaje (l = 77 m)

Almenara de

Aguas Arriba

( h = 224 m; 2 pozos;

Ø exc. = 16,3

y 7,5 m)

EMBALSE

Presa de C.C.R.

Torre de Captación

Descarga

de fondo

Túnel y Pozo

de Aireación

Pozo de Captación

h = 51,5 m;

Ø exc. 8,2 m )

Vertedero

Compuertas

Ventana de Construcción ( l 1 = 300 m (cerca a Captación),

l 2 = 500 m (cerca a Casa de Máquinas)

Túnel de Conducción

(l = 4343 m;

Ø exc. = 8,2 m;

Pendiente: 1.49%)

Portal de entrada

El. 708 m.a.s.l

Canal de

Descarga

En la Figura 2 se muestra un isométrico de las principales obras de la central subterránea del

proyecto Porce II.

8

Figura 3. Portal de aguas abajo del túnel de desviación de Porce II. Mediados de 1995

9

Construcción de la caverna principal de la

central de Porce II

La construcción de la caverna principal con sus obras auxiliares

transcurrió normalmente durante 12 meses desde febrero de 1996

hasta enero de 1997, con unos volúmenes excavados aproximados

de 77 000 m3 en la caverna principal y de 31 000 m3 en la caverna

de almenara de aguas abajo.

10


central de Porce II

A partir de febrero de 1997 comenzaron los vaciados de concretos

primarios y secundarios y las actividades de montajes

electromecánicos para entregar la primera unidad, de las tres

unidades generadoras de la central, en abril de 2001.

11

Figura 4. Caverna de casa de máquinas de Porce II.

Mediados de 1997.

12

Figura 5. Excavación del tanque de almenara de aguas arriba de Porce II.

Junio de 1997.

13

Figura 6. Excavación del túnel de conducción de Porce II.

Febrero de 1996.

14

Figura 7. Secuencia de excavación de la caverna de casa de máquinas de Porce II

Power House Downstream Surge Tank

6 6 10

8 9 9

7 7 6

4 5 5

3

1 2

1 2

3

4 5

7 7 6

8

9 9

7 10 10

700,90

695,00

690,00

686,00

682,00

678,00

669,45

707,10

700,00

695,00

691,00

685,00

678,00

670,30

21,30 m 25,00 m 12,00 m

Powerhouse

Levels Production Rate

(m3/d)

700 - 707,10 62,70

677,80 - 700 259,20

670,80 - 677,80 (Left Gallery)

179,00

670,80 - 677,80 (Right Gallery)

118,00

Downstream Surge Tank

Production Rate

(m3/d)

Arch roof 49,76

Benches 106,87

Powerhouse Excavation Stages by Date

1. 25/February/1996

2. 15/April/1996

3. 9/July/1996

4. 2/August/1996

5. 7/August/1996

6. 22/September/1996

7. 4/November/1996

8. 20/November/1996

9. 30/December/1996

10. 10/January/1997

15

Este túnel se excavó mediante perforación y voladura,

aproximadamente un 73 % se excavó en cuarzodiorita y un 27 % en

cornubianas. La cobertura promedia de este túnel fue de unos 250

m. Las longitudes finales de los tipos de roca excavados en este

túnel de conducción, se resumen a continuación.

Construcción del túnel de conducción de Porce II

16

Roca muy buena sin mucha fracturación: 2 152 m, equivalente a un

48,78 % de la longitud del túnel; Buena roca con fracturación: 737

m, equivalente a un 16,70 %; Roca fracturada regularmente: 468

m, equivalente a un 10,60 %; Roca muy fracturada: 1 035 m,

equivalente a un 23,45 %; Zonas de falla: 20 m, equivalentes a un

0,45 %.


17

Los revestimientos finales fueron como sigue: Concreto lanzado

(Shotcrete) con diferentes espesores dependiendo de la

clasificación: 84,6 %; y concreto hidráulico a sección completa con

diferentes densidades de refuerzo: 15,4 %.


18

o Ensayos de Overcoring en el área de la casa de máquinas desde

galerías exploratorias

Los esfuerzos en la masa de roca son una cantidad difícil de

medir directamente y solo se tiene la posibilidad de deducir los

esfuerzos en el macizo rocoso, sólo puede ser hecha utilizando

medidas mediante métodos indirectos, cuyas técnicas se basan

en medir efectos de respuestas asociadas con efectos

disturbantes como pueden ser: deformaciones, desplazamientos

o registro de presiones hidráulicas.

Investigaciones de esfuerzos in situ en las

cavernas de Almenara de Aguas abajo y de Casa

de máquinas de Porce II

19



Dentro de los métodos que existen para medir dichas

respuestas, se tienen métodos hidráulicos, métodos de

relajación, métodos de gateo, métodos de recobro de

deformaciones y otros métodos.




20



Para propósitos de poder establecer tanto la magnitud como la

orientación del estado de esfuerzos principales que tiene el

macizo rocoso in-situ, se seleccionó el método de overcoring (o

sobreperforación), el cual clasifica dentro de los métodos de

relajación de la roca en perforaciones.




21



Dentro de esa categoría de métodos de medida de esfuerzos in-

situ mediante relajación, existen dos técnicas conocidas,

dependiendo del tipo de instrumentos a utilizar. El método

utilizando la celda CSIRO Australiana y el de la celda USBM del

U.S. Bureau of Mines.




22



Ambos métodos se basan en la medida de las tensiones que se

liberan al reperforar un hueco, mediante el registro de las

deformaciones producidas, bien sea en el fondo del mismo o a lo

largo de las paredes del hueco. La celda USBM permite estimar

las tensiones y/o esfuerzos en dos dimensiones en cada

perforación, mientras que la celda CSIRO lo permite en tres

dimensiones.




23



Para los proyectos hidroeléctricos Porce II y Porce III, se

seleccionó el método con la celda USBM, debido a una serie de

ventajas que tiene sobre el otro método (Amadei et al –1997),

entre las cuales se cuentan, entre otros:

-La celda es recobrable y reutilizable.

- Su bajo costo en relación con los otros métodos.




24



En todos los casos, los ensayos requieren ser ejecutados en

sectores de roca sana de por lo menos 30 cm de longitud. El

método de overcoring tiene limitaciones, puesto que solamente

debe ser utilizado a profundidades donde no se exceda con los

esfuerzos in-situ, la resistencia de la roca en las paredes y fondo

del hueco. Por esa razón en roca blanda o muy fracturada, el

estimativo de esfuerzos se hace mucho más difícil y complejo

con esta técnica.




25



Algunas dificultades suelen presentarse durante el desarrollo de

este tipo de ensayos, debido a la anisotropía de la roca, efectos

de creep y/o tiempo dependiente, flujo plástico y efectos de no

linealidad del comportamiento de la roca.




26



Cuando se utiliza el método USBM, se parte de los siguientes

aspectos para que los resultados de los ensayos sean confiables:

• Los esfuerzos que son relajados durante el proceso de

sobreperforación son iguales a los esfuerzos que estaban en la

roca antes del proceso de perforación.

• El diámetro de la sobreperforación no afecta la medida de

esfuerzos.




27





• La respuesta de la roca es elástica y sus propiedades elásticas

son las mismas bajo carga que descarga.

• La roca es un medio continuo y homogéneo.




28





• La perforación es circular y las paredes son duras y lisas.

• El comportamiento de la roca se sucede en un plano (plain

strain).

• El estado de esfuerzos in-situ es tridimensional.




29




Figura 8. Equipo utilizado en campo para medición de ensayos de

overcoring y Montaje ensayo de cámara biaxial.

30




Figura 9. Equipo de perforación utilizado en los ensayos.

31

o De acuerdo con los ensayos de overcoring realizados en el área

de la casa de máquinas desde galerías exploratorias, el esfuerzo

vertical medido en las cornubianas fue de 6,53 MPa. Los

esfuerzos horizontales principales, tanto longitudinal como

transversal con relación al eje de las cavernas fueron de 7,94

MPa y 8,71 MPa, lo cual significa una relación entre los esfuerzos

horizontal y vertical de 1,22 y 1,33, respectivamente.




32

o Las magnitudes de los esfuerzos mostraron correlación con las

profundidades de los sitios. La magnitud de la cabeza hidráulica

en el túnel de conducción fue de 250 m o 2,50 MPa, en

comparación con el esfuerzo geostático aproximado de 6,30

MPa, y este último es unas 2,50 veces más grande que la cabeza

hidráulica.


cavernas de Almenara de aguas abajo y de casa


33

Aspectos más importantes durante la

construcción de las cavernas de Almenara de

aguas abajo y de Casa de máquinas de Porce II

A continuación se detallan algunos eventos especiales que

ocurrieron durante la excavación de las cavernas:

o Se presentaron algunos movimientos de cuñas de roca en las

paredes norte y oeste de la caverna de casa de máquinas, las

cuales se trataron mediante la instalación de soporte de roca

adicional, tal como pernos de roca, y se instaló instrumentación

geotécnica adicional.

34





ocurrieron durante la excavación de las cavernas:

o Otro evento fue el fracturamiento del concreto lanzado en el

túnel de acceso a la central cerca a su empalme con la casa de

máquinas; se hizo necesario instalar pernado sistemático en el

techo y en el piso del túnel de acceso de la central.

35





ocurrieron durante la excavación de las cavernas

o La deformación que se predijo de acuerdo con los estudios de

diseño fue de cerca de 10 mm. Durante construcción de

midieron deformaciones de cerca de 14 mm, pero estas últimas

no afectaron la estabilidad general de las cavernas.

36

Vertedero

Túnel de

Desviación

Preataguía

Ataguía

Descarga

de Fondo

Galería

PRESA

Túnel de Conducción Superior

(l = 12400 m; Ø exc. = 10,2 m)

Ventana de

Construcción N°2

( l = 649 m )

Ventana de

Construcción N°1

( l = 520 m ) Ventana de

Construcción N°3

( l = 705 m )

Cámara de

Expansión

Pozo

Almenara de Aguas Arriba

( h = 250 m; 2 pozos;

Ø exc.= 16,0 and 8,9 m)

Caverna de Transformadores

(l = 83,2 m; w = 13,7 m;

h = 15,3 m; Vol. exc. = 15100 m3 )

Pozo de Carga

( h = 159 m; Ø exc. = 10,2 m)

Túnel de Conducción

Inferior (l = 324 m;

Ø exc. = 10,2 m)

Distribuidor Galería de Construcción N°4

Túneles de espiración

Cámara de Ventilación

(l = 24 m; w = 15 m;

h = 8 m; Vol. exc. = 2700 m3 )

Galería de Cables de

Ventilación (l = 640 m )

Túnel Colector

de Descarga Túnel de Acceso a

Casa de Máquinas

(l = 493 m )

Galería de

Construcción N°2

Galería de Construcción N°5

Casa de Máquinas

(l = 121,2 m; w = 18,2 m;

h = 40,7 m; Cobertura = 260 m;

Vol. exc. = 69000 m3)

Túnel de Oscilación

(l = 342 m; Ø exc. = 8,8 m)

Galería de Compuertas

(Construcción N°3)

Túnel de Descarga

(l = 828 m; Ø exc. = 10,2 m)

Canal de entrada

Portal de entrada

El. 350 m.a.s.l

Descripción general de la central subterránea y obras

anexas del proyecto Porce III

Figura 10. Isométrico de las principales obras de la central subterránea del proyecto Porce III.

En la Figura 8 se muestra un isométrico de las principales obras de la central subterránea del

proyecto Porce III.

37

Figura 11. Casa de máquinas de Porce III.

Excavación de los túneles aspiradores

entre elevaciones 302 y 296 msnm.

Figura 12. Caverna de transformadores de

Porce III. Preparación de piso para vaciado

de concreto a elevación 313,85 msnm.

38


central de Porce III

La excavación de la caverna principal con sus obras auxiliares

transcurrió normalmente durante 12 meses, desde diciembre de

2006 hasta diciembre de 2007, con unos volúmenes excavados

aproximados de 69 000 m3 en la caverna principal y de 15 000 m3

en la caverna de transformadores.

39



A partir de diciembre de 2007 comenzaron los vaciados de

concretos primarios y secundarios y las actividades de montajes

electromecánicos, para entregar la primera unidad, de las cuatro

unidades generadoras, a finales de 2010.

40

Figura 13. Secuencia de excavación de la caverna de casa de máquinas de Porce III

Powerhouse Cavern

Stage Starting Date Finishing Date Production Rate

(m3/d)

Arch roof 14-Dec-06 10-Apr-07 106,92

Transition Zone 19-Mar-07 17-Jun-07 99,21

Bench 1 25-Apr-07 5-Jul-07 155,74

Bench 2 30-May-07 22-Jul-07 176,96

Bench 3 21-Jul-07 9-Sep-07 159,42

Bench 4 21-Aug-07 21-Sep-07 219,44

Bench 5 4-Sep-07 30-Sep-07 241,95

Bench 6 20-Nov-07 04-Dec-07 290,66

Transformers Cavern

Stage Starting Date Finishing Date Production Rate

(m3/d)

Arch roof 11-Dec-06 27-Mar-07 56,86

Bench 1 6-Mar-07 18-Apr-07 93,61

Bench 2 17-Apr-07 2-May-07 257,39

Bench 3 23-May-07 30-May-07 96,74

41

Construcción del túnel de conducción de Porce III

Este túnel se excavó mediante perforación y voladura,

aproximadamente un 50 % se excavó en esquistos y un 50 % en

gneises. La cobertura promedia de este túnel fue de unos 270 m.

Las longitudes finales de los tipos de roca excavados en este túnel

de conducción, se resumen a continuación.

42


Tipo I: Roca muy buena: 7 240,60 m, equivalente a un 58,50 %;

Tipo II: Roca regular: 4 914,60 m, equivalente a un 39,70 %; Tipo

III: Roca mala: 213,50 m, equivalente a un 1,80 %.

43


Figura 14. Excavación del túnel de conducción de Porce III

44


Los revestimientos finales fueron como sigue: Concreto lanzado

(Shotcrete) con diferentes espesores dependiendo de la

clasificación: 70,6 %; y concreto hidráulico a sección completa con

diferentes densidades de refuerzo: 29,4 %.

45

Figura 15. Revestimientos y transiciones en el túnel de conducción de Porce III


46


En términos generales, el túnel se excavó sin grandes problemas.

El único aspecto a resaltar fue la presencia de agua subterránea en

el túnel de conducción aguas abajo de la intersección con la

ventana 2, cuyo caudal llegó a promediar unos 150 litros por

segundo.

47


Figura 16. Avance de la construcción del túnel de conducción de la central de Porce III.

Junio de 2009

48

o De acuerdo con los ensayos de overcoring realizados en el área

de la casa de máquinas desde galerías exploratorias, en uno de

los sitios de ensayo (Número 2), la relación K entre los esfuerzos

horizontal y vertical fue de 1,83, correspondiente a un esfuerzo

horizontal de 16.07 MPa and y a un esfuerzo vertical de 8,76

Mpa.


cavernas de Transformadores y de Casa de

máquinas de Porce III

49

o El valor más pequeño medido del esfuerzo principal menor fue

de 3,92 MPa en el sitio de ensayo Número 3; la magnitud de este

esfuerzo es similar a la magnitud que se obtuvo de los ensayos

de hidrofracturación que se realizaron en las proximidades.




50

o La magnitud de la cabeza hidráulica en el túnel de conducción

fue de 350 m o 3,50 MPa, en comparación con el esfuerzo

geostático aproximado de 9,0 MPa, y este último es unas 2,60

veces más grande que la cabeza hidráulica.




51


Figura 17. Montaje de los blindajes metálicos de entrada a casa de máquinas en Porce III

52


Figura 18. Montaje de los blindajes metálicos de entrada a casa de máquinas en Porce III

53


construcción de las cavernas de Transformadores

y de Casa de máquinas de Porce III



o Se presentaron algunos movimientos de cuñas de roca en las

paredes de la caverna de casa de máquinas, las cuales se

trataron mediante la instalación de soporte de roca adicional,

tal como pernos de roca, y se instaló instrumentación

geotécnica adicional.

54



Figura 19. Avance de la excavación y soporte de la caverna principal de la central del proyecto

Porce III.

En la Figura 19 anexa, se puede observar el avance en la excavación y soporte de la caverna

principal en diciembre de 2007.

55




A continuación se detallan algunos eventos especiales que ocurrieron

durante la excavación de las cavernas

o En la pared oeste se tuvo que incrementar la sección de excavación de

las galerías de cables, que conectan las cavernas de transformadores y

de casa de máquinas, consecuentemente disminuyeron los pilares de

roca previstos entre estas galerías de cables y los distribuidores

inferiores.

56



Figura 20. Avance de la construcción de la caverna principal de la central del proyecto Porce III.

Junio de 2009.

57






o Uno de los extensómetros que se instaló en el área en la pared

oeste de la central subterránea, registró una deformación

máxima de 26,95 mm. (La deformación prevista en diseño era de

5,9 mm).

58

o Posteriormente, cuando el banco de excavación de la caverna de casa

de máquinas se encontraba entre elevaciones 315,5 and 311,5,

apareció una grieta en el concreto lanzado instalado en la bóveda de la

caverna, principalmente entre las abscisas 42 y 75. La grieta en el

lanzado se atribuyó a muchas causas o a una combinación de las

mismas, entre las cuales se contaban:




59

Figura 21. Casa de máquinas de Porce III.

Excavación entre niveles 315,50 y 311,50

Figura 22. Casa de máquinas de Porce III. Detalle de grieta

en el arco de la caverna.

60

o Redistribución de los esfuerzos de la roca; baja adherencia del

concreto lanzado a la roca; la excavación preliminar de una

galería exploratoria siguiendo el eje de la caverna durante las

investigaciones de diseño; entre otras posibles causas.




61

o Las deformaciones máximas en el techo de la caverna de casa de

máquinas variaron entre 5 y 17 mm (La deformación prevista en

diseño era de 4,6 mm con la caverna excavada completamente).




62


Infraestructura Subterránea

o Una vez terminado el Proyecto Hidroeléctrico Porce III, la

infraestructura subterránea de las Empresas Públicas de

Medellín E.S.P. – EPM – para el servicio de generación de energía,

se estima que tiene cerca de 100 km of túneles de diferentes

servicios y cinco centrales hidroeléctricas subterráneas, las

cuales contribuyen a una capacidad de generación total de EPM

de unos 2 400 MW.

63

Conclusiones

De las experiencias durante la construcción de las obras

subterráneas de los proyectos Porce II y Porce III se puede concluir

en general que la geología y geotecnia del proyecto Porce II fue

mejor que aquellas para el proyecto Porce III.

64

La caverna de casa de máquinas del proyecto Porce III mostró más

deformaciones y requirió más soporte de roca en algunos casos

específicos que la caverna de la casa de máquinas del proyecto

Porce II.

Conclusiones

65

o Los porcentajes de excavación de los túneles de conducción

varió para ambos proyectos, pero el proyecto Porce II tuvo un

comportamiento mejor de la roca al compararlo con los

porcentajes de roca excavada en Porce III, y teniendo en cuenta

también la magnitud y porcentaje total de los revestimientos

utilizados.

Conclusiones

66

o El rendimiento de excavación y soporte de las cavernas por

parte de los contratistas de Porce II y Porce III fue muy

consistente, las cuatro cavernas tuvieron unas complejidades

similares, y la excavación y soporte de las cavernas de casa de

máquinas para ambos proyectos duró aproximadamente un año

en cada una.

Conclusiones

67

o El soporte de las cavernas de los proyectos Porce II y Porce III

consistió básicamente en la colocación sistemática en toda el

área excavada de capas de concreto lanzado con malla

electrosoldada entre las mismas, la instalación de pernos de

anclaje desde 4 m a 8 m. de longitud aproximada, estos últimos

en cuadrículas aproximadas de 1,5 m. por 1,5 m.

Conclusiones

68

Las previsiones de deformación de la roca investigadas durante

diseño de ambos proyectos, se superaron durante construcción por

las situaciones reales y contingentes, pero las investigaciones

siempre dieron un orden de magnitud de lo que podría esperarse

durante las excavaciones y soporte.

Conclusiones

69

EPM y los consultores colombianos con base en las experiencias en

Porce II y Porce III, unido a las experiencias anteriores en

proyectos tales como Playas, Riogrande y Guatapé, se preparan

entonces para atender los retos técnicos y logísticos que

demandará el Proyecto Hidroeléctrico Ituango, y otros que se

presenten en el futuro para suplir las necesidades de

infraestructura del país y en el exterior, como también por

ejemplo el Proyecto Bonyic en Panamá, entre otros.

Conclusiones

Contacto

o Juan Carlos Gutiérrez Monsalve

Correo: [email protected]

Teléfono: +57-4 380 2085

Móvil: 314 647 0437

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