Sedimentacion de Embalses

 

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“SEDIMENTACIÓN DE

EMBALSES”

ESTRUCTURAS

HIDRÁULICAS

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: ESTRCUTURAS HIDRÁULICAS AUTORES: 



FARIAS VARGAS, BAYRON CASTRO VILLALTA, DIEGO



MACHADO MENDOZA, KEVEIN EDUARDO



PEÑA LOPEZ, BRAYAN JAIR 

ASESOR: ING. JUAN PABLO GARCÍA RIVERA

PIURA, PERÚ. Julio 2020.

 

Tabla de Contenidos Capítulo 1 Introducción e información general..................................... general........................................................ ........................... ..........1 ..1 Capítulo 2 Origen y Propiedades de Los Sedimentos............................... Sedimentos....................................... ................. ................. ........22 Capítulo 3 Composición de los sedimentos Tipología de los Sedimentos................ Sedimentos........................ ........33

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INTRODUCCIÓN E INFORMACIÓN GENERAL Cuando un curso de agua entra en contacto con el agua embalsada se produce una disminución brusca de su velocidad, se frena, perdiendo en gran medida su capacidad para seguir transportando sedimentos. Como consecuencia de esto, los materiales más gruesos del conjunto de solidos transportados, se depositan casi inmediatamente, formándose un deposito denominado delta de cola (COBO, 2008). En las las inme inmedi diac acio ione ness de la pres presaa el agua agua qu qued edaa prác prácti tica came ment ntee inmó inmóvi vil, l, permitiendo la decantación de los materiales más finos, formándose en ocasiones un “delta de presa”. Los sólidos de granulometrí granulometríaa interm intermedia edia se distri distribuyen buyen por el vaso del embalse según las corrientes existentes en el mismo (COBO, 2008). Dichas corrientes se deben a varios factores, entre los que se puede citar el efecto Coriolis Coriol is que genera en las zonas más profundas una corri corriente ente circular, ciclóni ciclónica ca y ascendente que distribuye los materiales en la zona central del embalse. Otros factores que influyen en la distribución de los sedimentos son la geometría del vaso, la presencia de corrie corrientes ntes de convecc convección ión y la existenci existenciaa de aportes laterales (COBO, 2008).

ORIGEN Y PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS   LOS SEDIMENTOS Los sedi sedimen mentos tos bási básicam cament entee son partícu partículas las procede procedente ntess de roca rocass o suelos suelos que son transportadas por flujos de agua o por el viento mientras que la sedimentación es un

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 proceso por el cual el sedimento se acumula en un determinado lugar dentro de la trayectoria de un flujo de agua. (GARCIA & Maza, 1998) Las corrientes naturales de agua tienen la capacidad de transportar material sólido en suspensión y de generar sedimentos por sus propias características (caudal, tirante de agua, velocidad y forma de la sección) o a través de la erosión de los cauces.

FUENTES DE LOS SEDIMENTOS Es difícil indicar con certeza todas las fuentes que generan los sedimentos que llegan a un embals emb alse, e, sin embarg embargo, o, de acue acuerdo rdo con el conc concept eptoo ant anteri erior, or, la princi principal pal fuente de los sedimentos son los suelos y rocas, mientras que el viento y los flujos de agua son los  principales agentes de erosión y transporte. trans porte. Por otro lado, dada la actividad del hombre en el medio que lo rodea, las fuentes de sedimento se clasifican en naturales y artificiales.

(Garcia & Maza, 1998) Fuentes naturales 

Erosión de la superficie del terreno



Erosión del cauce principal y sus tributarios



Movimientos naturales del terreno

Fuentes artificiales 

Destrucción de la vegetación





Obras de ingeniería Explotación de minas y canteras



Desechos urbanos e industriales

En problemas de ingeniería se sugiere dividir el origen de los sedimentos en tres grupos, ya que al tratar de reducirlos se puede proceder de manera distinta para cada uno: 

Sedimentos originados en la superficie de la cuenca Se reducen aplicando técnicas de conservación de suelos.



Sedimentos procedentes del fondo y orillas de los ríos

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Se redu reduce cenn co conn los emba emballses ses de gr gran ande dess pr pres esas as,, pr pres esas as de deri riva vado dora rass y construyendo  pequeños diques en arroyos y cañadas. 

Sedimentos provenientes de los desechos industriales y urbanos Se reducen aplicando técnicas sanitarias sobre el manejo de desechos sólidos.

PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS Los procesos de erosión, el transporte y el depósito del material erosionado de la superficie de la cuenca son el reflejo de las características de los sedimentos. La densidad, el tamaño y la forma de las partículas influyen determinantemente en las etapas del transporte de sedimentos, que es de gran interés para el diseño de obras hidráulicas, como puede ser la estimación de volúmenes muertos en embalses. (Chira, 2016) Se distinguen tres clases de material según la resistencia que oponen a ser arrastrados y de su comportamiento al ser transportados:    

 No cohesivo o granular o friccionante, Cohesivo Rocoso

El comportamiento comportamiento de una partícula aislad aisladaa (material no cohesivo), cohesivo), sujeta a la acción de un flujo, es diferente de aquel que se presenta cuando está formando parte de un conjunto. Por ello, a fin de entender la dinámica de los sedimentos, es necesario conocer  también las propiedades referentes a un conjunto grande de partículas, de las cuales las más importantes son:  

Distribución granulométrica Peso volumétrico

Cuando las partículas finas son puestas en suspensión, pueden permanecer algún tiempo en ese estado, para determinar su comportamiento es necesario conocer:  

La concentración de partículas en suspensión, La viscosidad de un líquido con material en suspensión

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El peso específico de un líquido con material en suspensión

Las pro propie piedade dadess ind indivi ividua duales les rel relevan evantes tes de las partíc partícula ulass que cons constit tituyen uyen un suelo suelo granular son las siguientes: Tamaño Forma Peso específico Velocidad de caída    

Tamaño de las partículas. – Es la propiedad más importante, se puede considerar que la variación variaci ón del tamaño defi define ne el comport comportamient amientoo del sedimento, sedimento, la forma, densidad densidad y distribución granulométrica son semejantes en diferentes sistemas hidráulicos. Hay dos clasificaciones importantes de los sedimentos según American Geophysical Unión y el ASTM.

Forma de las partículas. - La forma normalmente se define a través de la redondez, esfericidad y factor de forma. La redondez se define como la relación entre el radio medio de curvatura de las aristas de la partícula y el radio de la circunferencia inscrita en el perímetro de área máxima de proyección de la partícula. La esfer esferic icid idad ad es la rel relac ació iónn entre entre el áre áreaa sup superf erfic icia iall de una esfera esfera de vo volu lume menn equivalente y el área superficial de la partícula. La determinación de la esfericidad y la redondez requieren métodos con una rigurosa técnica de trabaj técnica trabajo. o. Un parámetro parámetro simplifi simplificado cado de uso frecuente es el factor de forma F.F definido por la relación.   (Ec.1)

Peso específico. - Gran parte de los sedimentos provienen de la descomposición de rocas naturales y normalmente en las partículas se encuentran todos los constituyentes del material madre. El material por efecto del desgaste y la abrasión se hace fino, los minerales menos estables tienden a desgastarse más rápidamente y a ser transportados

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con mayor facilidad como partículas finas o en suspensión, dejando el mineral más estable. La mayor gama de componentes debe encontrarse, así en el material fino. El mate ma teria riall gru grueso eso ta tale less co como mo lo loss pe peño ñones nes y ca cant ntos os ro rodad dados os pu puede edenn te tene nerr la mi mism smaa composición que el material madre. (Garcia & Maza, 1998) Debido a su gran estabilidad, el cuarzo es el mineral más común en la composición de los sedimentos transportados por el viento o el agua, sin embargo, otros muchos minerales forman parte de la composición. Por lo tanto, el peso específico relativo relativo de arenas es muy próximo al del cuarzo, es decir  2.65, empleándose frecuentemente este valor en los cálculos y análisis.

Velocidad de caída. - Es la velocidad con que cae una partícula en aguas estancadas al final de la deposición. La velocidad de caída para las arenas disminuye disminuye progresivament progresivamentee debido al incremento de la concentración de sedimentos finos dispersados en el agua (si los fin finos os son lo suficie suficiente ntemen mente te gran grandes des como como para deposit depositarse arse rápidam rápidament ente, e, esta esta conclusión no sería válida). (Garcia & Maza, 1998) Debido a la gran cantidad de tamaños de las partículas, sus velocidades son distintas. En general, las de mayor tamaño se asientan más rápidamente que las pequeñas. Si se dese deseaa cl clas asif ific icar ar a la lass part partíc ícul ulas as só sóli lida dass qu quee fo form rman an pa part rtee de dell le lech choo o so sonn transportadas transpor tadas por la corrien corriente te de un río, se pueden divid dividir ir en: acarreos que se mueven en el fondo del río, deslizándose, rodando o saltando; y los légamos o sedimentos, que son trasladados a grandes distancias en suspensión en el agua.

Acarreos Son fragmentos de rocas que llegan a los ríos arrastrados por las corrientes de las aguas o por denudación que es la desintegración de las rocas debido a procesos físi físicos cos o qu quím ímic icos os (l (llu luvi via, a, vi vient ento, o, sol, sol, ni niev eve, e, hi hiel elo, o, gl glaci aciare ares, s, te terre rremo moto tos, s, inundaciones) inunda ciones) y en general procesos de intem intemperizac perización, ión, erosión y transporte, transporte, así como la mano del hombre. Los acarreos en un río están formados por una mezcla de granos de los más variados tamaños y formas.

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Légamos  Son todos los sólidos que recorren largos trayectos, en suspensión en el agua. Están formados por partículas minerales en forma de laminillas, esquirlas o granos; partícu granos; partículas las orgá orgánic nicas, as, fib fibras ras vegeta vegetales les y en los ríos ríos recorre recorrenn cuencas cuencas densamente pobladas, también por partículas procedentes de las aguas negras. Los légamos al igual que los acarreos, están formados por una mezcla de partículas de diferentes tamaños.

Capítulo 3 COMPOSICIÓN DE LOS SEDIMENTOS; TIPOLOGÍA DE LOS SEDIMENTOS S EDIMENTOS Se ent entien iende de por com composi posició ciónn de un sedimen sedimento, to, el conjunt conjuntoo de sust sustanci ancias as químic químicas as (orgáni (orgá nicas cas o in inorg orgán ánic icas as)) qu quee lo con const stit ituye uyen, n, exp expre resad sadaa en té térm rmin inos os qu quím ímic icos os o mineralógicos. La composici´on mineralógica de un sedimento aporta información sobre los diferentes ambientes de constitución y de sedimentación por los que ha pasado. La combinación de los datos de los análisis químicos y mineralógicos de un sedimento

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reflejan la historia del mismo y los parámetros físicos, químicos, físico - químicos,  biológicos, etc.; de los diversos procesos que han dado lugar a su formación (COBO, 2008).  

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Componentes mayoritarios Tres son los componentes que de forma general constituyen la mayoría del sedimento: el residuo insoluble, que puede ser asimilado al contenido en materiales detríticos no solubles; el carbonato cálcico equivalente y la materia volátil que se asimila al contenido de materia orgánica (COBO, 2008).  La clasificación del sedimento en relación a estos tres componentes se realiza en un diagrama ternario, atendiendo a su mayor o menor capacidad de reacción con el medio. Así la mayor parte del diagrama lo ocupan zonas de existencia de materia orgánica, después le siguen las correspondientes a sedimentos carbonatados y por ´ultimo las correspon corres pondi dien ente tess a lo loss de detr trít ític icos os no solubl solubles es pu pues es so sonn práct práctic icam amen ente te in iner erte tess co conn independencia del contenido de la muestra (COBO, 2008).

SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES Los embalses son infraestructuras que suponen una clara discontinuidad en el gradiente longitudinal de procesos propios de los ríos. Junto con el agua, los embalses «regulan»

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también los aportes de materiales en suspensión y los arrastres de sólidos transportados  por los ríos. El balance de esta regulación tiene como resultado una retención neta de todos estos materiales en forma de sedimentos, dando lugar a la colmatación. (Flores &

Maza, 1985)

En la actualidad, la colmatación de embalses es un problema ambiental de primer orden. Ciertamente Cierta mente,, las consecuenci consecuencias as ambientale ambientaless de la colmatación colmatación de embalses embalses van más allá de la regresión de deltas o las pérdidas de volumen embalsable, y afectan, o pueden afectar, al funcionamiento general de los embalses como ecosistemas acuáticos. No hay soluciones definitivas ni para nuevos embalses ni para embalses en funcionamiento, pero existen medidas tanto preventivas como correctoras que pueden contribuir a minimizar  los procesos de colmatación de embalses y/o a reducir los efectos ambientales derivados. (Flores & Maza, 1985)

Uno de los princip principales ales problemas que a menudo afectan a los embalse embalses, s, es su pérdida de capacidad debido al depósito del sedimento en su interior. Independientemente de que,  parte del diseño de embalses es disponer de un volumen para almacenar dichos azolves, muchas veces rebasado de forma rápida y con la consecuente pérdida de volumen útil en el embalse. En otras presas, aunque el volumen reservado para los azolves no haya sido sobre pasado, la velocidad con la que se pierde hace prever que el embalse perderá capacidad de almacenamiento antes de lo previsto, con la consiguiente disminución de disponibilidad de agua. En algunos casos extremos, como es el caso del reservorio de Poechos, el embalse puede ser inutilizado parcial y totalmente. (Gracia Sánchez, 1997)

2.2.2.- DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO Y METODOLOGÍA GENERAL DEL ESTUDIO Al interponer un obstáculo a un río, se origina un estancamiento, por lo cual el sedimento transportado se comportará según el mecanismo de la figura 1. Al entrar la corriente al

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embalse, el material grueso se depositará según la disminución de la velocidad del agua  por el efecto de paliación del cauce y el crecimiento del tirante, formado en la “cola” del vaso, una acumulación de sedimento grueso denominado delta. (Gracia Sánchez, 1997) El sedimento más fino continuará hacia adentro del vaso como una corriente de densidad  para posteriormente, al detenerse, depositarse en el fondo del mismo. Existen embalses en los que tal corriente no llega a formarse y se produce en el vaso, o en gran parte del mismo, una turbidez generalizada que evolucionará según la dinámica particular del almacenamiento.(Gracia Sánchez, 1997)

Figura 1: Esquema general del comportamiento de un embalse

El mecanismo de sedimentación descrito es en realidad más complejo, ya que depende de muchos otros factores, como son la estratificación de temperaturas, forma, dimensiones y caracte cara cteríst rística icass especi especiale aless del emb embals alse, e, operaci operación, ón, caracte característ rística icass fisicoq fisicoquím uímicas icas del sedimento sedime nto y las caracterí características sticas de la avenid avenidaa de ingreso, entre otros.   El delta se moverá hacia adentro del embalse según las características de las avenidas y la variación de los niveles en el vaso. En los grandes embalses, la importancia de la formación del delta radica en el efecto que causa aguas arriba del río, y por el volumen que ocupa dentro del

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vaso puede llegar a ser tan acentuada como para poner en peligro las instalaciones en la cortina.(Gracia Sánchez, 1997) Cuando la presa no es muy grande y sus extraccio extracciones nes o derrames son muy frecuentes, frecuentes, es  posible que el delta ocupe gran parte del vaso, y en tal caso el sedimento grueso sí constituye la principal pérdida de capacidad, ya que gran parte del material fino es muy  probable que no sea retenido, pues p ues continuará aguas abajo. (Gracia Sánchez, 1997) El material que se deposita en el fondo del embalse estará sujeto a una compactación al transcurrir transcu rrir el tiem tiempo. po. Este efecto se verá acentuado al cambiar sensiblemente sensiblemente los niveles niveles en el vaso, haciendo que se produzca un alternado secado y humedecimiento del material sedimentado. Esto induce a dos problemas importantes: uno es el cambio de volumen depositado a través del tiempo, que repercute en la cantidad de agua almacenada. Y el otro es la dificultad de remover sedimento altamente compactado. Las corrientes de densidad, aunque son un fenómeno que fácilmente se puede generar en un laboratorio, sufren grandes dificultades para ser detectadas en campo. Por esta razón no ha sido  posible definir una clara relación entre los trabajos teóricos y el fenómeno real. Esto es  particularmente importante, porque el manejo de una corriente de densidad permitiría, en al algu guno noss vaso vasos, s, al aliv ivia iarr el pr prob oble lema ma de sedi sedime ment ntac ació ión. n. Y es qu que, e, al co cono noce cerr su comportamiento, tal vez podrían extraerse del embalse antes de que el material que transportan se sedimentara. (Gracia Sánchez, 1997)

Cuando la corriente de densidad no llega a formarse y solamente genera turbidez en el emba em bals lse, e, lo que ge gene neral ralme ment ntee ocu ocurre rre co conn co conce ncent ntrac racio iones nes ba baja jass de se sedi dime ment nto, o, el  problema principal no radica en la cantidad depositada, sino s ino en la afectación de la calidad del agua. Dicho problema se vuelve fundamental desde el punto de vista ecológico, pues muchas veces se producen alteraciones de la flora y la fauna del almacenamiento en cuestión. Y esto altera la calidad del agua que, en condiciones, se emplea como potable  para una población.(Gracia Sánchez, 1997)

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CÁLCULO DEL APORTE DE SEDIMENTOS Para determinar la cantidad de aporte de sedimento que entra a un vaso existen diferentes  procedimientos:

a) La medición directa dentro del embalse b) El aforo del transporte de sedimento en la corriente de entrada c) El empleo de criterios de predicción. Evid Ev iden ente teme ment nte, e, la ap apli lica caci ción ón de cada cada un unoo de el ello loss depen depende derá rá de la in infor forma maci ción ón disponible y el grado de precisión en el cálculo. Determinar la cantidad de material sólido que entra en un vaso es, sin duda, uno de los aspectos más importantes en el estudio del problema de sedimentación de un embalse. Pero también es la parte más difícil de evaluar, y donde se ha logrado menos avances. El  principal medio para evitar el problema de pérdida de capacidad de un embalse es disminuir la erosión en las cuencas. Ésta, incluso, es la principal solución recomendada  por diferentes autores.

A) MEDICIÓN DIRECTA DE SEDIMENTO DEPOSITADO EN UN EMBALSE Gene Ge nera ralm lmen ente te es este te ti tipo po de medi medici cion ones es se ha hace cenn empl emplea eand ndoo fo foto togr graf afía ía aé aére reaa y levantamiento topográfico cuando el vaso se vacía, y batimétricos cuando el sedimento está constantemente sumergido. La frecuencia con que deben hacerse estas mediciones de sedimento depositado depende del tipo de embalse y de la disponibilidad técnicoeconómica para realizarlas.(Flores & Maza, 1985)

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En Argentina se hacen los levantamientos cada vez que se estima que el embalse ha  perdido el 55% de su capacidad. En Kenia se hacen, al menos, una vez al año. En China se realizan los levan levantamie tamientos ntos antes y después de la época de avenidas.(Flore (Floress & Maza,

1985) B) PREDICCIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTO Y AFORO Para determinar el transporte de fondo o en suspensión, además del aforo directo, existe una gran cantidad de métodos para hacer la cuantificación, métodos que ya hemos mencionado antes.(Flores & Maza, 1985) En el caso del material de lavado es más difícil la predicci predicción, ón, por lo cual se recomienda recomienda aforo directo. Tal procedimiento consiste en aforar de manera regular el material sólido que transporta una corriente durante cada año, al menos durante la época de avenidas. Es necesario señalar que en muchos casos se considera que existe una relación fija entre el transporte de fondo y el que viaja en suspensión. Sin embargo, esto algunas veces puede ser muy variable debido a factores geológicos y climáticos. Hay que recordar que, mi mien entr tras as el tran transp spor orte te de fo fond ndoo y el qu quee vi viaj ajaa en su susp spen ensi sión ón de depe pend nden en de la lass características hidráulicas de la corriente, existe otra gran parte de sedimento, llamado de lavado, que viaja en suspensión con la corriente. (Flores & Maza, 1985) Este sedimento puede ser sensiblemente diferente y dependerá de las características erosivas de la lluvia. Existe una clara tendencia en la práctica a determinar relaciones  para cada caso particular, entre el gasto y el transporte de sedimento. Esto ha sido satisfactorio en algunos casos, pero en otros no.(Flores & Maza, 1985)

C) CRITERIOS DE PREDICCIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTO De lo mencionado en los incisos anteriores, se puede observar que el apartado (a) es sólo aplicable a embalses ya construidos como el de Poechos. Es obvio que se refleja claramente el depósito de sedimento en el embalse. El segundo apartado (b) también es un procedimiento confiable para la cuantificación del sedi sedime ment ntoo susc suscep epti tibl blee de depo deposi sita tars rsee en el emba embals lse. e. Si Sinn emba embarg rgo, o, co conn ambo amboss

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 procedimientos no es posible determinar cuál sería el depósito si durante la vida del embalse cambian las condiciones de la cuenca de aporte o las características de la corriente. Visto de otra manera, en los nuevos proyectos (embalses), donde las mediciones de transporte de sedimento no son suficientes o bien no existen, el problema de determinar  el aporte de sedimento se vuelve difícil. Por esta razón se han desarrollado diversos métodos para determinar, a partir de las características de la cuenca y del régimen de lluvias, el posible aporte de sedimento. Lamentablemente, estos criterios no han sido suficientemente desarrollados, y los errores que pueden cometerse en el cálculo pueden llegar a ser muy grandes.(Flores & Maza, 1985) El criterio que hasta el momento parece ser el más prometedor es la Fórmula Universal de Pérdi Pérdida da de Suelo Sueloss (FU (FUPS PS), ), pr propu opuest estaa po porr Wi Wisch schme meie ierr y Smit Smith. h. Es Este te crite criteri rio, o, originalmente empleado para determinar el aporte de sedimento en pequeñas extensiones de terreno, ha sido modificado para emplearse en cuencas.(Flores & Maza, 1985)

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SEDIMENTACION DE EMBALSES 1. Determinación del aporte de sedimento. Empleando mediciones de campo y/o criterios de predicción, determinar la cantidad de azolve que entrará al vaso. Esto  permite tener una primera aproximación de la magnitud del problema, pues indicará la capacidad de azolve a reservar en el embalse (Gracia Sánchez, 1997)

2. Determinación de la eficiencia de atrape. Empleando criterios empíricos, calcular  la cantidad de sedimento que realmente quedará atrapado dentro del embalse, con lo cual se podrá corregir la capacidad de azolve determinada en el inciso anterior.

(Gracia Sánchez, 1997) 3. An Anál ális isis is de dell ma mate teri rial al que en entr traa al emba embals lse. e. Aquí Aquí es ne nece cesar sario io co conoc nocer er la lass características físico-químicas del material transportado, pues ellas condicionan su comportamiento dentro del embalse (Gracia Sánchez, 1997)

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4. Determinación del delta. Para una primera aproximación, se pueden emplear los métodos empíricos. Si el material grueso constituye el principal problema del embals emb alse, e, será nece necesari sarioo emplea emplearr alg algún ún mét método odo ana analít lítico ico (sim (simula ulació ción), n), para determinar su evolución en el vaso. Para esto es necesario disponer, además de las características topográficas del vaso y del cauce de llegada, algún criterio de hidráulica fluvial (p.e. Meyer-Peter), que asocie el transporte de sedimento con las caract car acterí erísti sticas cas hid hidrául ráulica icass de la corrien corriente. te. Esto Esto puede puede hacerse hacerse emplea empleando ndo la información del inciso 3. Un factor muy importante que debe tenerse en cuenta en esta etapa es la operación del vaso, o bien la posible fluctuación de niveles en el almacenamiento. (Gracia Sánchez, 1997)

5. Ubica Ubicación ción del sedimento dentro del vaso. Para ubicar las zonas de depósito, si se trata de material grueso, el procedimiento indicado en el inciso anterior será el más co conv nven eniien ente te.. Pe Pero ro de no ser ser po posi sibl blee di disp spon oner er de un mod odel eloo de simulación(Gracia Sánchez, 1997)

6. Determinación de las corrientes de densidad. En el caso de que el material fino sea, por cantidad, el más importante dentro del embalse, conviene realizar un análisis de la posible ocurrencia de las corrientes de densidad. Esto permitirá en  primer lugar mejorar la determinación de las zonas de depósito, y luego determ det erminar inar la posibi posibili lidad dad de ext extrae raerr sedimen sedimento to maneja manejando ndo las corrie corriente ntess de densidad. Para realizar este análisis, es necesario disponer, además de los datos del material en suspensión y de los hidrogramas de entrada al vaso, los datos o cál cálcul culos de la lass pr prob obab ablles es esttrati ratifi fica caci cion ones es de tempe empera ratu tura rass de dell ag agua ua embalsada(Gracia Sánchez, 1997)

7. Ajuste de métodos empíricos. Según la información obtenida en el inciso anterior, se revisarán los resultados en cuanto a la ubicación del sedimento obtenidos en el inciso 5) y en caso necesario se ajustarán. También es conveniente revisar la eficiencia de atrape del inciso 2).  (Gracia Sánchez, 1997)

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8. Compactación del material dentro del embalse. En esta etapa se determinará el grado grado de com compac pacta taci ción ón de dell mate materi rial al qu quee se deposi deposita tará rá de dent ntro ro del emba embals lse, e, empleando los criterios empíricos correspondientes. (Gracia Sánchez, 1997)

9. Técnicas de desazolve. Según las características del material depositado y de su volumen (cantidad) , se determinaran las técnicas de extracción de sedimento más adecuadas, así como las frecuencia de su empleo . En esta etapa pueden ser muy útiles los modelos físicos de sedimento, así como las posibilidades de proyectar  obras dentro del vaso, que permitan encauzar el flujo de sedimento.   (Gracia

Sánchez, 1997) 10. Eva Evalua luación ción económi económica. ca. En cada cada prob problem lemaa de sedimen sedimento to en embals embalse, e, habrá habrá difer di ferent entes es sol soluci ucione oness té técni cnica came ment ntee po posi sibl bles es,, pe pero ro requi requiere erenn de un análi análisi siss económico para decidir la más conveniente. Por ejemplo, pueden existir en algún caso las siguientes alternativas técnicas, que deberán ser discriminadas según el aspecto económico (Gracia Sánchez, 1997): a) reali realización zación de obras en la cuenca cuenca para controlar controlar el aporte de sedi sedimento mento  b) dragado del sedimento dentro del vaso c) cons constru trucci cción ón de represas represas ag aguas uas arrib arribaa del em embal balse se d)prever una gran capacidad de azolve en la presa

11. Med Medici ición ón en emb embals alses. es. Convie Conviene ne pla plante ntear ar program programas as de observac observación ión en los embalses en cuanto al problemas de sedimentación, los cuales deberán incluir el aforo de las corrientes entrantes al vaso, y el deposito del sedimento en su interior   para realizar un seguimiento al problema. Dicha información infor mación permitirá comprobar  los criterios de cálculo prever problemas posteriores más graves (Gracia Sánchez,

1997)

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12. Estudios adicionales. El proyectista deberá tener en mente que el problema de sedimentación de embalses, no está asociado solamente a la pérdida de capacidad, sino que puede inducir otros problemas importantes que deberán tomarse en cons consid ider erac ació ión, n, ta tale less co como mo la al alte tera raci ción ón de la ca cali lida dadd de dell ag agua ua po pota tabl ble, e, afectaciones a la fauna del vaso, afectaciones aguas abajo. etc.  (Gracia Sánchez,

1997)

CONTROL DE AZOLVE EN VASOS Existen diversas alternativas para evitar la sedimentación de un embalse, sin embargo, es conveniente señalar que la solución no está en la aplicación de una sola técnica, sino en su combinación de acuerdo con cada problema en particular.

SOLUCIONES INDIRECTAS La mayor parte de los autores concuerda en que el mejor procedimi procedimiento ento para evitar la  pérdida de capacidad en los embalses es la pr prevención evención de la erosión er osión de los suelos de las cuen cuenca cas. s. De Dete tene nerr la perd perdid idaa de su suel eloo im impl plic icaa no so solo lo at aten enua uarr el pr prob oble lema ma de sedimentación en embalses, sino también impedir que se pierda el suelo normalmente útil  para fines agrícolas y forestales, y además no renovable desde un punto de vista práctico. Sin embargo. En los casos de grandes cuencas, con condiciones naturales pobres, los trabajos de conservación de suelos pueden ser difícilmente realizables en corto tiempo, sobre todo si se piensa que en muchas ocasiones se necesita de un trabajo de reeducación de los usuarios, además de un apoyo inicial importante, que normalmente es costoso y que requiere de tiempo para revertir los beneficios sobre los usuarios (Gracia Sánchez,

1997) Solo se concluye que de ser posible, se recomienda el control de suelos, pero se reconoce la existencia de problemas en la práctica que limitan esta solución, por lo cual en los siguientes incisos se presentan otras posibles soluciones (Gracia Sánchez, 1997)

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SOLUCIONES DE DISEÑO: Conviene señalar que las soluciones a nivel de diseño, no se refieren únicamente a los nuevos proyectos, ya que aun en los casos de embalses en operación, es posible revisar y redi redise seña ñarr que que al algu guno noss as aspe pect ctos os co cont ntri ribu buya yann pa para ra ev evit itar ar ev evit itar ar pr prob oble lema mass de sedimentación. Las principales sugerencias son las siguientes (Gracia Sánchez, 1997):

a) Selecc Selección ión ad adecuada ecuada del sitio sitio pa para ra ub ubicar icar eell emb embalse alse Esto implica implica tratar de selecciona seleccionarr sitios sitios donde el aporte de sedimentos sedimentos no sea alto , Esta solución en la actualidad es utópica, ya que muy probablemente los mejores sitios ya han sido empleados , en tanto que los menos adecuados serán los que en el futuro deberán aprovecharse.  (Gracia Sánchez, 1997)

b) Determ Determinar inar ad adecuadam ecuadamente ente llaa capaci capacidad dad reservada reservada p para ara azol azolves ves La mayor parte de los trabajos realizados sobre el problema de sedimentación de embalse, tienen como objetivo final calcular o pre-determinar con la mayor aproximación  posible, la pprobable robable ubicación del ssedimento edimento dentro del embalse y por lo tanto definir la capacidad que deberá reservarse para este fin. Sin embargo, conviene señalar que en un caso extremo, esto implicaría construir una presa con un gran cantidad para almacenar  azolve, lo cual evidentemente no sería aceptable desde el punto de vista práctico y tendría que plantearse otro tipo de solución.  (Gracia Sánchez, 1997)

c) Red Reduci ucirr la cap capaci acidad dad de rete retenci nción ón de az azolv olvee En este caso se pretendería tratar de que el sedimento que entra al embalse, no tuvieras tiempo suficiente para depositarse; esto puede lograrse, por ejemplo, con la construcción de una presa por etapas. (Gracia Sánchez, 1997) El interés fundamental que tiene estudiar las corrientes de densidad desde el punto de vista de aplicación en campo, esta n la posibilidad de que estas puedan ser extraídas del vaso antes de que se depositen. Por ello, son necesarias las siguientes condiciones (Gracia

Sánchez, 1997): 1. Que la co corrient rrientee se forme y logre llegar llegar hasta hasta cortina cortina o la obra obra de desfogue desfogue 2. Que la obra de desfogue sea capaz capaz de extraer extraer un unaa gran parte de la corriente corriente de de densidad

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3. Que la con conce cent ntrac ració iónn de la corrie corrient ntee sea lo sufic suficie ient ntem emen ente te al alta ta para que convenga su extracción

d) Inte Interce rcepci pción ón del sed sedime imento nto ant antes es del em embal balse se Cuando se considera que el sedimento grueso será el principal problema dentro del embalse, es posible diseñar pequeñas represas aguas arriba del vaso, que permitan la sedimentación del material. En Japón, este procedimiento ha sido muy empleado, e incluso el material depositado se ha empleado como agregado para concreto   (Gracia

Sánchez, 1997). SOLUCIONES DIRECTAS Pueden catalogarse como soluciones directas aquellas en las que se hace una remoción del sed sedim imen ento to dep deposi osita tado do de dent ntro ro del va vaso, so, est estee es el ca caso so de dell draga dragado, do, remoci remoción ón hidráulica y hidrosucción.

SISTEMA DRAGADO El dragado se define como el conjunto de operaciones necesarias para la extracción, el transporte y la eliminación de materiales situados bajo el agua, ya sea en el medio marino, fluvial o lacustre. Este procedimiento procedimiento es muy costoso, sin embargo, el continuo continuo incremento de la demanda de agua y el decremento de sitios para ubicar nuevos embalses, probablemente harán que ese tipo de soluciones deje de ser antieconómico. En el embalse Rand Maines (Sudáfrica) se ha llegado a dragar 69,000 m3 usando draga tipo almeja y en la Lake Roslyin (Oregon), se ha dragado con métodos similares 760,000 m3 de arena volcánica. En Austria se han desarrollado maquinarias especiales para el dragado de gravas y de  boleos. En Alemania, se han diseñado cortadores mecánicos, que a la vez succionan el

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material removido. En Holanda y en Japón, se han instalado ductos de más de 16 km de longitud para transportar sedimento (grava y arena) a fábricas de concreto.

TIPOS DE DRAGADO 

Dragado hidráulico

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Dragado de hidrosucción simple

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Dragado por sifón o dragado por hidrosucción utilizando un tubo de paso

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Dragado con bomba y cable suspendido

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Dragado mecánico

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Draga de cucharas de almejas

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Dragado tipo pala o retroexcavadora

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Dragado de cangilones o rosario

Ventajas  No se interrumpe la operación del embalse durante el dragado. 

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El sistema es capaz de remover cualquier tipo de sedimento como grava, distintos tamaños de rocas y escombros.

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Tienen unas altas tasa de eliminación de sedimentos.

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La instalación es desmontable y puede ser transportada por camiones a sitios

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remotos. El consumo de agua es reducido al mínimo y sin mezcla con el agua del embalse.

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Puede extraer todo tipo de sedimento

Desventajas El costo del sistema de dragado puede ser elevado. 

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Se genera gran turbidez en el agua del embalse.

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El sistema requiere de un equipo especial y de mano de obra especializada.

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Aplicación del sistema de dragado en Perú a) Em Emba bals lsee Tab Tabla lach chaca aca,, Perú Perú La presa Tablachaca se ubica en la localidad de Kichuas, Distrito de Colcabamba, Provincia de Tayacaja, Departamento de Huancavelica. En los últimos años este embalse ha sufrido de colmatación, ya que las constantes lluvias en la zona generan derrumbes y transporte de sedimentos en los flujos de agua al embalse. Por tal motivo para evitar que se generen acumulación de sedimentos en el embalse se optó por aplicar dragado. La zona de dragado se ha delimitado mediante una poligonal y abarca un área que se extiende desde la presa hasta la progresiva 800 m hacia aguas arriba. El nivel de operación del embalse es de 2 695 m.s.n.m

Figura 2: Áreas de delimitación de dragado en el embalse Tablachaca Fuente: Paredes, 2015 Se ha considerado el dragado en los primeros 800 m, se estima un volumen aproximado de 1 200 000 m3 de material dragado. Para realizar este dragado se estimó un tiempo de operación de 180 días, teniendo en cuenta que se utilizaran dos dragas. En la Figura 90, se aprecia el sistema de dragado utilizado en el embalse Tablachaca, mientras que en la Figura 3, se observa una vista  panorámica de la operación de dragado dra gado en el embalse.

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Para el dragado se usó una bomba DAMEN DOP 350 L, la cual se aprecia en la Figura 3. Esta bomba funcionó como un sistema de inyección y succión, el cual inyecto agua a  presión (4 bares) creando turbulencia y a su vez v ez succiono la mezcla a través del sistema s istema de aspiración. El sistema de dragado uso un motor de 570 HP llamado power pack, la cual se aprecia en la Figura 88, además para la salida de agua a presión a través de los inyectores de la bomba se usó un motor jet water pump el cual se aprecia en la Figura 89. Para el dragado se usó una tubería de descarga de 14” HDPE flotando sobre el embalse Se dragó aproximadamente 1 200 000 m3 de sedimento, el costo del proyecto fue de $ 17 348 354.00; lo que nos da un costo de $ 14.45/m3 , que vendría a ser S/. 48.86/m3 .

Figura 3 : Bomba DAMEN DOP 350 L. Fuente: Paredes, 2015.

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Figura 4: Motor power pack de 570 HP Fuente: Paredes,2015

Figura 5: Motor jet wáter pump

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Fuente: Paredes, 2015 A continuación, se muestran imágenes de la aplicación del sistema de dragado en el embalse.

Figura 6: Vista del sistema de descarga de la draga sobre el embalse Fuente: Paredes, 2015

Figura 7: Vista panorámica de la draga y de la tubería flotante de descarga sobre el embalse. Fuente: Paredes, 2015

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Figura 8: Vista del sistema de descarga sobre la presa Fuente: Paredes,2015 REMOCIÓN HIDRÁULICA DE SEDIMENTOS Uno de los principales métodos de descolmatación de embalses es el sistema de remoción hidráulica o también llamado lavado (flushing), que es uno de los primeros métodos conocidos para descolmatar un embalse. Este método ha sido muy utilizado en embalses de China con buenos resultados; no obstante, su aplicación en un embalse específico depende de un estudio de factibilidad para ver si conviene emplear este método o se tiene que elegir otro.

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Este método consiste en la remoción de sedimentos utilizando la fuerza erosiva del agua para socavar los depósitos de sedimentos y pasarlos junto con el agua a través del embalse cuando los conductos de fondo de la presa son abiertos.

FIGU FIGURA RA 9: Di Diag agra rama ma es esqu quem emát átic icoo del del pr proc oces esoo de re remo moci ción ón hi hidr dráu áuli lica ca de sedimentos.  Fuente: Barragan,2000. Este sistema ha sido empleado exitosamente en prototipo, para preservar la vida útil en los embalses, no solo en embalses pequeños, con capacidad de almacenamiento menor a 100 MMC, sino también para grandes embalses, con capacidad de almacenamiento mayor a 100 MMC. Además, se tiene que bajo condiciones apropiadas pueden ser  removidos tanto los sedimentos finos como los sedimentos gruesos.

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Clasificación de la remoción hidráulica En 1977, los investigadores Fan y Morris desarrollaron pequeñas investigaciones para remover los sedimentos atrapados en un embalse, sin realizar ninguna clasificación, estas investigaciones se efectuaron en modelos físicos a escala (presas), en donde pudieron establ est ablec ecer er pa paut utas as para para la remoc remoció iónn hi hidr dráu áuli lica ca de se sedi dime ment ntos os en emba embals lses, es, que  posteriormente y con tecnología más avanzada se realizó una clasificación en base a un enfoque específico y a las características propias a cada uno de los métodos. La remoción hidráulica se clasifico de la siguiente manera (Sánchez, 2014): - Remoción hidráulica de sedimentos durante avenidas. - Remoción hidráulica de sedimentos por chorros de agua. - Remoción hidráulica de sedimentos por desfogado de corrientes densas.

1. Rem Remoci oción ón hidr hidrául áulica ica de sedimen sedimentos tos dur durante ante ave avenid nidas as Generalmente, la mayor cantidad de sedimentos son transportados por los ríos y luego son descargados a los embalses durante los periodos de grandes avenidas, este método  propone que se dejen pasar las avenidas a través de las compuertas de fondo, las cuales deben permanecer abiertas cuando lleguen las avenidas. Tras esta medida el embalse disminuirá dismi nuirá su nivel, ya que se tendrá una descarga mayor al flujo de entrada, con lo cual se reduce el almacenamiento de sedimentos en avenidas, logrando el control de la sedimentación dentro del embalse (Barragán, 2000). Este método se inicia cuando el flujo de agua ingresa al embalse, el sedimento grueso es depositado debido a la disminución de la velocidad del flujo de agua por efecto del apaciguamiento natural del cauce y también por el crecimiento del tirante hidráulico, formado en la cola del embalse, este sedimento acumulado es denominado delta, que corresponde al material de granulometría gruesa; mientras que el sedimento fino continua su recorrido hacia dentro del embalse (corriente de densidad), para luego detenerse y por  gravedad, depositarse en el fondo del embalse, este proceso es constante a lo largo del

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tiempo. Esta tendencia es general y se presenta en la mayoría de embalses alrededor del mundo. Cuando se abren las compuertas de fondo, deben de cerrarse los vertederos de excesos, ya que, si las avenidas son excesivas y ambas estructuras se encuentran abiertas, existe el riesgo de inundación aguas abajo de la presa, además de esta manera se busca equilibrar  equilibrar  el caudal de la presa, que en condiciones normales debería salir por los vertederos de excesos, es decir, el caudal a evacuarse por los vertederos se estaría evacuando por las compuertas de fondo (Sánchez, 2014).

Figura 10: Remoción hidráulica de sedimentos durante avenidas en el embalse Aldeadavila, España Fuente: Sánchez, 2014 2.   Rem Remoci oción ón hid hidrául ráulica ica de sed sedime imentos ntos po porr chorr chorros os de agua agua.. Este método es similar al anterior, con la diferencia que en este caso se requiere el vaciado total del embalse, de modo que la fuerza erosiva del flujo del río a lo largo del embalse, vaya socavando algunos depósitos de sedimento por lo que la salida de flujo de sedimento excederá el de entrada, con lo cual se garantiza la extracción de sedimentos del emba em bals lse. e. Este Este mé méto todo do re requi quiere ere de una ex extr trac acci ción ón much muchoo mayor mayor que el de desc scri rito to anteriormente, lo cual es necesario para detener la acumulación de sedimentos dentro del embalse (Barragán, 2000).

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El vaciado del embalse se efectúa abriendo completamente las compuertas de fondo, y estas est as per perman manece ecenn así durante durante un determ determina inado do período período de tie tiempo mpo;; para la correct correctaa aplicación de este método es necesario que el embalse quede totalmente vacío, y a diferencia del método anterior, el período de extracción completa de los sedimentos depositados en el fondo del embalse ocurre en temporadas de estiaje, lo que permite la socavación y el corte de los depósitos de sedimentos y se requiere que el tiempo sea extenso, lo cual implica, que las compuertas de fondo permanezcan abiertas durante algunas semanas.

Figura 11: Vaciado del embalse efectuando remoción por chorros de agua generado  por la abertura de las compuertas de d e fondo. Fuente: Sánchez, 2014 3. Remoci Remoción ón hid hidráuli ráulica ca de se sediment dimentos os por d desfogado esfogado de corr corrientes ientes densas. Este método propone el desfogue de las corrientes densas a través de las compuertas de fondo, que se deben mantener abiertas cuando estas llegan a las cercanías de la presa.

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Figura 12: Flujo de una corriente de densidad pasando a través de un embalse. Fuente: Barragán, 2000. El cálculo de la evolución de una corriente de densidad, es aún tema de investigación,  pues mientras que en el laboratorio son fáciles de simular, en los prototipos son un fenóm fen ómen enoo en di discu scusi sión ón.. Una Una de la lass princi principa pale less causa causass de este este pr probl oblem emaa es qu quee generalmente en los modelos o dispositivos experimentales, se usa agua salada o caliente  para simular la corriente de dens densidad, idad, pero no material similar al sedimento, y si a esto se suma el hecho de la gran diferencia de escalas entre modelos y prototipos, se entenderá la dificultad de hacer la extrapolación a los casos reales. Para determinar la posible formación de una corriente de densidad y su circulación a través del embalse podemos aplicar un procedimiento de cálculo simplificado, propuesto  por Jesús Gracia Sánchez en el año de 1987, para el Instituto de Ingeniería de México; el cual se basa en result resultados ados experimentales, experimentales, donde se utilizaron utilizaron sedimentos sedimentos de laboratorio y un prototipo del río Balsas, se supone que la formación de la corriente de densidad es de tipo bidimensional, con lo cual el embalse es alargado y predomina la dimensión longitudinal 45 sobre la transversal. En las secciones transversales del cauce original,  predomina el ancho sobre el tirante hidráulico, y es posible comparar la sección transversal con una rectangular.

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Figura Fig ura 13. Desfo Desfogu guee de co corri rrien ente tess de densa nsass en el embal embalse se Xi Xiaol aolan angdi gdi en el Rí Ríoo Amarillo, China. Fuente: Sánchez, 2014

SISTEMA HIDROSUCCIÓN El sistema de hidrosu hidrosucción cción propone remover los sedimentos sedimentos por medio de tuberías, para ello se deberá usar la energía obtenida por la diferencia de niveles aguas arriba y aguas abajo de la presa, para la captación de sedimentos se utiliza un dispositivo que extrae directamente del fondo del embalse el sedimento y lo coloca en un contenedor para su  posterior depósito o, lo deposita aguas abajo de d e la presa. Este sistema no requiere energía externa para transportar los sedimentos del punto de donde se inicia la captación del sedimento al punto de descarga. Este sistema tiene dos tipos de configuraciones, por  medio de descargas de fondo y por medio de un sifón.

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Figura 14: Esquema del sistema de hidrosuccion de sedimentos Fuente: Guerra,2004

Hidrosuccion por descargas de fondo Este sistema propone que la tubería de descarga pase por algún punto bajo de la presa o algún conducto de fondo existente, esto implica que la aplicación de este sistema debería haberse contemplado contemplado en la construcci construcción ón de la presa. La tubería tubería trabaja en todo momento momento con presión positiva y su operación es muy simple. Si no se contara con los conductos  para la descarga de fondo se podría aplicar la otra configuración de hidrosucción por  sifón. En la Figura 15, se aprecia un esquema del sistema sistema de hidrosucción hidrosucción por descargas de fondo.

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Figura 15: Esquema del sistema de hidrosuccion por descargas de fondo Fuente: Reyes, Hidrosuccion por descargas de fondo Hidrosuccion por sifón Este sistema propone que la tubería de descarga pase por encima de la presa, en forma de sifón, debiéndose en primer lugar cebar el sifón. Este sistema utiliza un sifón que remueve y succiona el sedimento (por medio de un chorro de agua) por encima de la presa. La capacidad del sifón se determina por la carga disponible y por el diámetro de la tubería, además el sifón puede ser instalado en cualquier parte y expulsado fuera si es necesario. En la Figura 16, se aprecia un esquema del sistema de hidrosucción por sifón

Figura 16: Esquema del sistema de hidrosuccion por sifón Fuente: Reyes, Hidrosucción, 2014

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Ventajas Requiere de mínimos recursos y poca inversión para su instalación. 

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 No requiere energía externa para el transporte del sedimento.

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 No requiere la presencia de avenidas (funciona con bajos caudales).

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Por ser un sistema independiente la operación de la presa no se ve afectada.

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La tubería puede moverse libremente para extraer depósitos de sedimento.

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La extracción de sedimento es continua.

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Permite que el río aguas abajo conserve sus condiciones de equilibrio (de erosión y sedimentación) debido a que el agua contendrá la misma cantidad de sedimentos que antes de construir la presa.

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Es fácil y seguro de operar. No necesita de operadores calificados.

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El sistema puede operar bajo diferentes diferentes cargas piezom piezométric étricas as y extraer extraer diferentes diferentes tipos de sedimentos sin modificación.

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El mantenimiento y reposición de los equipos es simple, económico y de poca frecuencia.

Desventajas Las principales desventajas del sistema de hidrosucción son: En caso se presente una obstrucción del sistema debe introducirse agua limpia por  

medio de la bomba para remover los depósitos. 

La tubería puede ser susceptible a daños en el momento que se evacuen las avenidas por las puertas del aliviadero. Se debe determinar para ello la posición de la tubería más conveniente.

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Cuando la tubería es excesivamente larga existen grandes pérdidas por fricción.

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Cuando existe ingreso de aire al sifón, es decir las uniones de los tubos no son herméticas, disminuye notoriamente la eficiencia del sistema.

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El sistema no está diseñado para extraer partículas de gran tamaño.

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La carga hidráulica máxima para evitar la cavitación del sifón es de 7 m.

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Es necesario reemplazar el sistema cada cierto tiempo, de acuerdo al material utilizado.

Métodos para aumentar la vida del embalse Iniciada la construcción de la presa, específicamente al empezarse la ataguía, comienza la sedimentación. Esta es inevitable y avanza inexorablemente con el tiempo.

¿Cómo alargar la vida del embalse?  a) Control de la erosión en la cuenca, mediante acciones de preservación.  b) Disponer de un volumen muy grande gran de reservado para el depósito de los sólidos. c) Incorporar a la presa sistemas de purga. d) Construir aguas arriba presas para la retención de los sedimentos. e) Remoción mecánica de los sedimentos.  Naturalmente que el método más efectivo y seguro es e s el de atacar el problema desde su origen. Las cuencas que producen grandes cantidades de sedimentos presentan por lo general otros tipos de problemas que deben de tratarse en conjunto. Pero que  básicamente responden al gran problema pr oblema de la deforestación. (Flores & Maza, 1985)

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