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Numerosas centrales hidroeléctricas poseen túneles de aducción construidos hace mucho tiempo y, en algunos casos, operando más allá de su vida de diseño originalmente prevista. Un túnel hidroeléctrico representa un componente clave de una planta hidroeléctrica. Sin embargo, a diferencia de las casas de máquinas y obras de toma —que son fácilmente accesibles para inspección y mantenimiento—, los túneles hidroeléctricos tienen acceso limitado y requieren una interrupción casi total de las operaciones para su inspección y mantenimiento.
Palabras clave: túnel, planta hidroeléctrica, inspección, mantenimiento, operaciones.
Numerous hydroelectric power plants have adduction tunnels built long ago that, and in some cases, operate beyond their design lifetime. A hydroelectric tunnel is a key component of a hydroelectric plant. However, unlike powerhouses and intake works, which are easily accessible for inspection and maintenance, hydroelectric tunnels present a limited access and require almost a total interruption of operations for inspection and maintenance.
Keywords: tunnel, hydroelectric power plant, inspection, maintenance, operations.
Dean Brox
Ingeniero experto en túneles hidroeléctricos.
Dean Brox Consulting. Vancouver (Canadá).
Los túneles de conducción representan componentes clave de las plantas hidroeléctricas y algunas instalaciones están aumentando rápidamente en edad más allá de los 40 años. Si bien el mantenimiento de rutina y algunas actualizaciones o reparaciones importantes se pueden realizar fácilmente durante cortes breves para los componentes de la central eléctrica y de toma hidráulica, normalmente se requiere mucho más esfuerzo para los cortes más prolongados para realizar inspecciones y mantenimiento de túneles hidroeléctricos, principalmente debido a las limitaciones de acceso.
El carácter lineal de los túneles hidroeléctricos, y en particular de los túneles de configuración única, está asociado a riesgos elevados donde no existe redundancia en caso de problema grave. Muchos túneles hidroeléctricos envejecidos han experimentado serios problemas, incluyendo algunos derrumbes, simplemente debido a su antigüedad y a la falta de mantenimiento y reparaciones. También se requiere que los nuevos túneles hidroeléctricos sean inspeccionados después de un periodo de operaciones iniciales para confirmar la adecuación de su diseño original.
Los avances en tecnologías robóticas y de adquisición de datos con vehículos operados a distancia (ROV, por sus siglas en inglés) aumentan cada año para capturar información adicional de mejor calidad que permita realizar evaluaciones más completas de la condición de los túneles hidroeléctricos en operación. La imagen de la derecha presenta una fotografía de alta resolución de una lluvia de rocas.
Se puede esperar que el envejecimiento continuo de los túneles hidroeléctricos sin las inspecciones y el mantenimiento apropiados resulte en bloqueos parciales adicionales y colapsos a gran escala. Los túneles hidroeléctricos envejecidos también se asocian con riesgos de cumplimiento ambiental deficiente, ya que los derrumbes de los túneles pueden provocar la detención completa de los flujos para los hábitats de los peces aguas abajo de un canal de descarga, o incluso pueden requerir descargas excesivas de flujo de la estructura de toma, lo que puede ser perjudicial y causar erosión/socavación significativa y/o inundación de áreas vulnerables.
Se discuten recomendaciones sobre la inspección y el mantenimiento de los túneles hidroeléctricos, para limitar los problemas futuros importantes, como un colapso que puede resultar en una interrupción prolongada con reparaciones importantes.
Consecuencias de los problemas del túnel
La integridad estructural de los túneles hidroeléctricos es de suma importancia para salvaguardar las operaciones a largo plazo para la generación de energía. La ocurrencia de colapsos parciales o totales en túneles hidroeléctricos presenta riesgos serios para las operaciones en general y, habitualmente, da como resultado paradas prolongadas para reparaciones mayores. Se han producido varios colapsos importantes de nuevos túneles hidroeléctricos desde 2009 y algunos ocurrieron durante la puesta en marcha debido a errores en el diseño, que resultaron en interrupciones para reparaciones de más de 24 meses y costos totales de más de 250 millones de dólares.
Al igual que otras infraestructuras de ingeniería, los túneles hidroeléctricos tienen una vida finita de integridad y el mantenimiento y las reparaciones deben incluirse como parte de las operaciones normales. Mientras que algunos túneles hidroeléctricos continúan operando sin problemas después de varias décadas, la vida útil de la mayoría de ellos es limitada y se puede esperar problemas serios después de 30 o 40 años.
Colapsos en túneles hidroeléctricos
El mayor riesgo que se presenta para las operaciones seguras a largo plazo de los túneles hidroeléctricos es la estabilidad en las ubicaciones de las fallas geológicas y/u otras condiciones geológicas débiles, como las condiciones de rocas no duraderas que se encontraron durante la construcción. La mayoría de los derrumbes recientes de túneles hidroeléctricos que ocurrieron durante la puesta en marcha ocurrieron debido a fallas geológicas de soporte inadecuado del túnel y a la falta de reconocimiento de condiciones de roca no duraderas o susceptibles a socavación.
Muchas zonas de fallas geológicas solo están soportadas con hormigón proyectado para operaciones a largo plazo que pueden estar sujetas a socavación y deterioro. La capacidad de estado de las trampas para rocas también es de suma importancia para confirmar durante una inspección, ya que las trampas para rocas que están llenas de escombros de rocas harán que pasen más escombros sobre la trampa de rocas y entren en las compuertas forradas de acero y en la central eléctrica, y posiblemente causen daños graves. La tabla de arriba presenta una base de datos internacional de un resumen de los colapsos en túneles hidroeléctricos sin revestimiento después de años de operaciones que proporciona una indicación de la vida máxima de los túneles hidroeléctricos sin revestimiento.
Criterios técnicos para las inspecciones
Uno de los principales desafíos para la mayoría de los operadores hidroeléctricos es decidir cuándo es apropiado o necesario realizar una inspección del túnel. El requisito de una primera o posterior inspección y la frecuencia de las inspecciones de seguimiento deben basarse en la consideración de todos los criterios técnicos pertinentes, incluidos los siguientes:
- Diseño y distribución del revestimiento original del túnel;
- Calidad de construcción original;
- Edad actual del túnel;
- Operaciones hidráulicas (cabeza interna/velocidad);
- Operaciones hidráulicas (peaking/non-peaking);
- Problemas históricos de construcción;
- Problemas operativos históricos;
- Erosión histórica y acumulación de escombros;
- Reparaciones históricas y rendimiento;
- Capacidad de estado y desempeño de las trampas de rocas;
- Hallazgos/defectos de inspecciones anteriores, y;
- Rendimiento e integridad del túnel inferido.
La primera inspección de muchos túneles hidroeléctricos antiguos generalmente se realiza como resultado de un problema detectado o inferido después de muchos años de operación y una reducción en la presión de operación. El requisito para una primera inspección de un túnel antiguo que no haya sido inspeccionado previamente, o la frecuencia de las inspecciones posteriores para los túneles hidroeléctricos antiguos, son subjetivos sobre las consideraciones importantes esbozadas anteriormente y debe completarse una evaluación técnica exhaustiva de todos los aspectos relevantes como parte del programa de gestión de activos de la planta. Los aspectos más importantes a considerar son las operaciones hidráulicas y la aparición de problemas históricos. La siguiente tabla presenta recomendaciones para considerar la frecuencia de las inspecciones de túneles hidroeléctricos antiguos.
Frecuencia recomendada para inspecciones (1)
Los túneles hidroeléctricos que operan en condiciones de peaking (periodos de alta demanda de energía) están sujetos a presiones operativas internas muy variables con una carga cíclica asociada del soporte del túnel y los revestimientos. Las operaciones de peaking generalmente incluyen la finalización y el reinicio de las operaciones cada día, que son más susceptibles a daños durante las operaciones a largo plazo y garantizan una mayor frecuencia de las inspecciones de túneles.
Requisitos de planificación y ejecución
No se debe realizar una inspección de un túnel hidroeléctrico a menos que se complete una revisión exhaustiva de toda la información relevante de diseño y construcción original (as-built). Se debe revisar la siguiente información:
- Alineación, longitud, pendiente y tamaño del túnel;
- Condiciones geológicas (fallas, tipos de rocas);
- Condiciones y niveles del agua subterránea;
- Esfuerzos in situ mínimos;
- Método de excavación;
- Tipos de soporte inicial y final;
- Distribución de los tipos de soporte inicial y final;
- Tipos de revestimiento (hormigón proyectado, concreto, acero);
- Distribución de los tipos de revestimiento
- Distribución de secciones sin revestimiento;
- Calidad del revestimiento (hormigón proyectado y concreto), y;
- Ubicación y capacidades de las trampas de rocas.
No se debe realizar una inspección de un túnel hidroeléctrico a menos que se complete una revisión exhaustiva de todos los datos e información relevantes de las operaciones hidráulicas históricas. La siguiente información debe ser revisada:
- Máxima presión interna de operaciones;
- Variación de las presiones de operaciones;
- Capacidad de flujo (m3/s);
- Tamaños y distribución de túneles;
- Velocidades de flujo del túnel (m/s);
- Niveles o datos de la chimenea de equilibrio;
- Frecuencia de datos de operaciones;
- Datos e información de infiltración o exfiltración;
- Generación/limpieza de escombros desde el túnel;
- Ocurrencia/frecuencia de eventos de alta o reducción de presión (water hammer, etc.), e;
- Interrupciones planificadas y no planificadas.
La información hidráulica debe estar disponible en los registros de operaciones de la planta hidroeléctrica. Todos los informes de inspección previos de inspecciones con y sin vaciar deben revisarse para identificar posibles problemas históricos y operaciones inusuales. La capacidad original y remanente de las trampas de roca debe ser revisada para compararla con las condiciones de la próxima inspección para comprender y estimar la tasa general de acumulación de escombros debido a la limpieza de las secciones con y sin revestimiento para la planificación de la limpieza de las trampas de roca.
Finalmente, todas las reparaciones durante inspecciones previas a partir de planos y/o informes deben revisarse para confirmar la ubicación de las reparaciones y cuantificar todo el trabajo realizado para evaluar el desempeño continuo de estos trabajos pasados como parte de la próxima inspección. El desempeño de las reparaciones pasadas debe evaluarse en términos de las operaciones hidráulicas en curso y cualquier cambio relacionado.
Los vehículos operados a remoto (ROV) se han utilizado para inspecciones subacuáticas de presas y otras estructuras hidráulicas durante décadas y, más recientemente, se han utilizado cada vez más, especialmente para la inspección de túneles hidroeléctricos largos. Los ROV generalmente están atados con cables para la inspección de túneles hidroeléctricos de gran longitud para proporcionar energía y para la transferencia de los datos recopilados durante el levantamiento. La maniobrabilidad de los ROV les permite acceder a través de geometrías complejas de chimeneas de equilibrios y puertas de acceso de obras de toma para ingresar a túneles hidroeléctricos largos.
Las imágenes de abajo ilustran dos de los ROV más versátiles y ampliamente utilizados en la industria para la inspección de largos túneles hidroeléctricos, incluidos el Saab Seaeye Sabertooth y el Sub-Atlantic Mohican. El Sabertooth tiene una maniobrabilidad de 360 grados para accesos restringidos, mientras que el Mohican fue diseñado para operar en condiciones de flujo.
La inspección más larga en un solo paso en un túnel hidroeléctrico fue de 12 km en el Proyecto Snowy Mountain en Australia, y la inspección total más larga realizada fue para el túnel de suministro de agua potable Paijanne de 120 km para Helsinki (Finlandia). Los ROV han operado a profundidades de más de 600 m y algunos son capaces de operar hasta 2000 m.
Por último, los contratistas de ROV han desarrollado y utilizado un software de visualización para ayudar en las observaciones durante una inspección, como se muestra en la tercera imagen inferior, y esto debiera ser un requisito fundamental como parte de los servicios de una inspección de ROV, ya que permite la identificación inmediata de ubicaciones de interés donde los escombros pueden estar presentes a lo largo de un túnel.
Evaluación de datos observacionales
La presencia de erosión y escombros a lo largo de un túnel es de vital importancia, ya que representa parte de la información más importante sobre el estado y el rendimiento del túnel. Los volúmenes o vacíos formados debido a la erosión de las zonas rocosas débiles suelen convertirse en operaciones continuas concentradas y ampliadas. Si están presentes a lo largo de la corona del túnel, pueden manifestarse en una inestabilidad o con la caída de bloques de roca o incluso un colapso a gran escala con bloqueo parcial o total del túnel. Los aumentos en los volúmenes de erosión y escombros después de las operaciones en curso son de vital importancia para identificar y comparar con inspecciones anteriores como parte de una evaluación de la condición de un túnel.
Las condiciones de los revestimientos de túneles de hormigón y hormigón proyectado suelen ser de mayor interés y, por lo tanto, también es necesario preparar numerosas visualizaciones en 3D a partir de los datos de inspección para presentar observaciones relevantes, como la geometría de las transiciones de los revestimientos donde suele producirse la socavación y cualquier cambio significativo en la geometría del perfil del túnel.
La primera figura de abajo ilustra un ejemplo de una vista externa de un largo túnel hidroeléctrico excavado con perforación y voladura que muestra secciones adyacentes sin revestimiento y con revestimiento de hormigón que se creó con un software especializado. La siguiente presenta un ejemplo de datos de alta resolución de una transición de una sección de revestimiento de hormigón. Estos ejemplos de visualizaciones normalmente no se preparan como parte de los servicios de un contratista de ROV y, por lo tanto, requieren servicios adicionales como parte del procesamiento posterior de los datos de la nube de puntos de una inspección de ROV. El software especializado típico que se puede usar para preparar estas imágenes es Polyworks y Geomagic, que pueden manejar archivos de datos de nubes de puntos muy grandes.
Correlación de observaciones de inspección con operaciones hidráulicas e información histórica
El aspecto más importante asociado a la inspección de túneles hidroeléctricos es la interpretación y evaluación técnica de las observaciones de la inspección.
Los resultados de la inspección de un túnel deben evaluarse en relación con las operaciones hidráulicas existentes e históricas para identificar posibles correlaciones entre la información. Como ejemplo, las áreas de baja velocidad de flujo confirmadas por secciones transversales ampliadas a lo largo del túnel pueden estar asociadas con la acumulación de escombros de roca a lo largo del piso del túnel. De manera similar, las áreas de alta velocidad confirmadas por la sección transversal reducida del túnel pueden estar asociadas con ubicaciones de erosión concentrada. Además, las ubicaciones de los escombros de roca grandes a lo largo del piso del túnel se pueden comparar con las ubicaciones observadas de bloques desde el techo.
Los datos que se obtienen de una inspección de túnel pueden incluir observaciones de defectos (grietas) en revestimientos de hormigón u hormigón proyectado, ubicaciones de erosión y otra información relevante. Se debe realizar una evaluación exhaustiva de todos los datos obtenidos de la inspección e intentar correlacionarla con la información histórica de la construcción.
Por ejemplo, las ubicaciones de las infiltraciones durante la construcción del túnel original se pueden asociar con posibles ubicaciones de las exfiltraciones durante las operaciones, particularmente para secciones del túnel sin revestimientos. Además, las ubicaciones de inestabilidad en las fallas geológicas experimentadas durante la construcción del túnel original pueden estar asociadas con ubicaciones de grietas dentro de secciones de hormigón proyectado o revestimiento de hormigón.