INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ZIMAPÁN

PRESENTADO POR: PEDRO DANIEL XOLO ROSAS

FECHA DE ELABORACION: 12/11/2015

FECHA DE ENTREGA: 13/11/2015

Antecedentes: Finalidad de una Presa Hidroeléctrica.

La finalidad de las presas es contener el agua en el cauce fluvial, con el objetivo de que la misma pueda ser utilizada de forma provechosa como, por ejemplo, en abastecimientos o regadíos, aquí se eleva su nivel para luego derivarla a las canalizaciones de riego. También se utiliza para producir energía mecánica, cuando se transforma la energía potencial del almacenamiento en energía cinética, y la misma vuelve a convertirse en energía mecánica, cuando la fuerza del agua produce que se accione algún elemento móvil. A partir de allí se puede utilizar la energía mecánica tanto de forma directa como indirecta.

Introducción a la Presa Zimapán.

La Presa Zimapán más formalmente llamada como la Fernando Hiriart, es una presa ubicada en el cauce que une los ríos San Juan y Tula, entre los límites de los municipios de Cadereyta y Zimapán de los estados de Querétaro e Hidalgo respectivamente, y a partir de dicha presa el cauce toma el nombre de Río Moctezuma, cuyo curso a partir de dicho punto es el límite físico de los dos estados mencionados, fue puesto en operaciones el 27 de septiembre de 1996, cuenta con una central hidroeléctrica capaz de generar 292 mega watts de energía eléctrica, su embalse tiene una capacidad aproximada a 1,360 hectómetros cúbicos de agua. La construcción de esta presa inició en junio de 1990, y fue inaugurada en 1995. El costo aproximado de la obra fue de 2 mil millones de los entonces nuevos pesos. Fueron afectadas 2 mil 290 hectáreas, el embalse tiene una superficie aproximada de 22.9 km2.

Ubicación.

La presa Zimapán se localiza en el llamado cañón del Infiernillo formado por los ríos San Juan y Tula, los cuales se unen para formar el río Moctezuma. La presa inunda terrenos de los municipios de Zimapán, Tasquillo y Tecozautla, del estado de Hidalgo y el municipio de Cadereyta de Montes del estado de Querétaro. La cortina se ubica entre las coordenadas20 40' N y 99 30' O, se encuentra a una altitud de 1870 m.s.n.m. Tiene una superficie aproximada de 2,600 ha, presenta una forma alargada.

Se extiende en un área de aproximadamente 500 km2. Por la amplia distribución de las obras, fue necesario dividirla en tres áreas: boquilla, conducción y casa de máquinas. La zona se enmarca en las coordenadas geográficas 20°39' y 20°51' de Latitud Norte y 99°26' y 99°31' de Longitud Oeste. La boquilla se encuentra en el río Moctezuma, inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos San Juan y Tula, en el sitio denominado Cañón del Infiernillo, donde actualmente se ubica la cortina. El embalse de la presa inunda los valles de los ríos San Juan y Tula, ocupando un área de 11,869 km2. Las poblaciones más importantes situadas cerca de la boquilla son Cadereyta, Querétaro, a 33 km al N84°W y Zimapán, Hidalgo, a 15 km al N56°E. El túnel de conducción, de 21 km de longitud, inicia en la obra de toma y pasa por debajo de las rancherías Yethay, Xajhá y La Majada, en el estado de Hidalgo; finaliza en la casa de máquinas, que se localiza en la margen derecha del río Moctezuma a 20.5 km al N13°E de la boquilla y a 14 km al S58°E del poblado San Joaquín, Querétaro.

Río Moctezuma.

El río Moctezuma es un río que representa la cuenca y zona lacustre más importante de México y parte importante de la vertiente oriental. El río forma parte del curso alto del río Pánuco: la fuente más lejana del Moctezuma es el río Tepeji o San Jerónimo, que nace en el cerro de La Bufa, en el estado de México, a una altura de unos 3.800 m; luego el río pasa a llamarse río Tula, hasta su confluencia con el San Juan, momento en el que pasa a llamarse río Moctezuma. Finalmente, al confluir el Moctezuma con el río Tampaón, pasa nominalmente a ser conocido como río Pánuco.

Nace con el nombre de Tula en el Valle de México, en la meseta de Anáhuac, donde sirve como canal de desagüe para el drenaje profundo de la ciudad de México; minuto a minuto se vierten en sus aguas los desechos de más de veinte millones de personas. Así la región donde antes abundó el árbol del tule hoy se ha transformado en un gran foco de contaminación en movimiento, impregnado de un olor nauseabundo.

El río continúa su recorrido hasta que se transforma en la presa Zimapán, ubicada en la frontera entre los estados de Hidalgo y Querétaro. La filtración libra al agua de agentes contaminantes mejorando su calidad. Atrás del alto muro de la presa se queda el agua estancada con los sedimentos de los desechos que sirven como alimento para el criadero de carpas que fue creado para el consumo humano.

Proceso Cronológico Constructivo:

Fue seleccionada una cortina de tipo arco bóveda, dadas las características geológicas y topográficas de la boquilla ubicada dentro del cañón de El Infiernillo. Esta cortina tiene una altura de 203 metros desde el desplante hasta la corona, lo que en su momento la hizo la más alta en su tipo en México, amén de ocupar el segundo lugar en altura total de presas (después de Chicoasén) y, en la escala mundial el sexto sitio. Comparativamente es 22 metros menor que la Torre Mayor Reichmann construida en la Ciudad de México. La cimentación de esta cortina fue realizada removiendo los bloques sueltos y de roca alterada y descomprimida en toda el área de desplante, así como el material aluvial del cauce. Para su empotramiento en ambos márgenes del macizo rocoso fue empleada la técnica de precorte, con el fin de inducir la fractura de la roca mediante el empleo de explosivos.

En su base, la cortina tiene 22 metros de ancho y en la corona cinco. Sobre esta cortina fue construido un camino carretero de 130 metros de largo, con dos bandas de circulación, el cual une a poblados ubicados en Cadereyta Querétaro, y en Zimapán Hidalgo. A este camino se accede por dos túneles de 1,260 metros de longitud. Esta impresionante cortina permite almacenar 1,500 millones de metros cúbicos de agua en 2,300 hectáreas. El túnel de conducción del agua inicia a partir de la bocatoma. Está revestido de concreto simple y se consideraba el túnel de conducción a presión más largo del mundo para centrales hidroeléctricas. Por su parte, la excavación de la casa de máquinas, ubicada en una caverna de 70 metros de largo, 22 de ancho y 33 de altura, inició en un socavón de exploración para llegar al nivel de bóveda; una vez estabilizada se banqueó el resto de la caverna. Cabe agregar que el volumen de roca excavado fue de 50,000 metros cúbicos. Anexa a esta casa de máquinas está la galería de transformadores dentro de una caverna de 81 m de longitud, 11.5 de ancho y 11 de altura. En ella están los siete transformadores La central hidroeléctrica y casa de máquinas Fernando Hiriart Balderrama está en el límite de Querétaro e Hidalgo, para arribar a este sitio es necesario llegar al municipio de San Joaquín, descender en picada 1,200 metros sobre el nivel del mar en una carretera peligrosa, pasar por la comunidad de La Mora perteneciente a Cadereyta y soportar un clima de más de 40 grados centígrados.

Esta central cuenta con un túnel de conducción del agua del embalse hacia la casa de máquinas para ser turbinada y generar la energía eléctrica para el sistema de interconectado nacional, tiene una longitud de 20,947 metros y un diámetro de 4.70 metros. La energía cinética del agua es transformada en energía mecánica en el rodete de la turbina, el cual está acoplado por la flecha de la turbina al eje del generador. Siguiendo con el proceso, la energía mecánica es transmitida por la flecha de la turbina, y ésta a su vez es transformada en energía eléctrica en el generador; y los transformadores de potencia tienen la función de elevar el voltaje de 16 KV hasta 230 KV, éstos son del tipo monofásico.

Existe otro sistema de fisuración que aparece en dirección diagonal al eje del río, que al combinarse con el anterior, en la zona de aguas abajo del eje de la cortina, logra delimitar una serie de cuñas potencialmente inestables y propensas a la acción de presiones intersticiales de agua que pudieran ocasionarse en esta zona; uno de los objetivos del proyecto de inyección y drenaje es evitar o, por lo menos, disminuir la concentración de agua en dichas discontinuidades.

Figura 2. Perfil estructural de la boquilla.

Por otra parte, en el macizo rocoso hay oquedades cársticas que, a pesar de no contar con un gran tamaño, sí representan una de las principales vías para la circulación de agua; por tal motivo es necesario rellenar mediante la inyección este tipo de ductos, evitando así la fuga de agua del embalse y la presencia de la misma en lugares indeseables.Es evidente que en un macizo rocoso de estas características, pueden escaparse a la inyección, algunas oquedades cársticas que quedarían sin sellar; por ello se debe considerar la ejecución de las galerías de drenaje que permitan dar salida eficiente al agua que logre atravesar la pantalla de inyección.

A continuación, se muestra un registro de la carsticidad deteetadaen Iazana, destacando los tamaños relativamente pequeños que se presentan.

I.3 Principios generales de diseño de las galeríasEl diseño del sistema de inyección y drenaje persigue los siguientes objetivos fundamentales:1. Limitar las fugas de agua del embalse2. Minimizar las presiones de agua abajo de la cortina y en la zona inmediata aguas abajo de la misma.3. Asegurar la estabilidad de los apoyos de la cortina.

Con respecto al drenaje se perforarán barrenos de 3 pulgadas de diámetro, sin ningún revestimiento, los cuales se ejecutarán con máquinas de rotación y serán lavados con agua a presión para eliminar los residuos de lodo o de la perforación.

Es importante mantener los drenes llenos de agua para evitar el acceso de aire en ellos, lo cual ocasionaría la formación de carbonato de calcio, que podría tapar los drenes, por lo que es necesario que éstos tengan una inclinación mínima hacia el interior del macizoPor otra parte, para la creación de la pantalla impermeable será necesaria la inyección de tres series de barrenación intercaladas entre sí; los barrenos primarios deben tener una separación de 12 metros, mientras que los secundarios presentan la distancia media, asimismo los de la tercera serie; para decidir si es necesaria la inyección de los barrenos subsecuentes a la primera serie, se debe analizar la cantidad de fluido que se inyectó en ésta, de tal manera que se revise si es forzosa la inyección de las siguientes series.Las galerías de inyección están separadas cada 48 metros; con esto logran cubrir el área de inyección con barrenos de 24 metros que, debido a su longitud, tienen pocas posibilidades de desviación, lo que facilita su ubicación y ejecutar eficientemente la pantalla.La pantalla de inyección tiene dirección hacia aguas arriba a cada lado del cañón, de tal forma que el empuje de agua sea dirigido hacia el macizo. La orientación de las galerías se determinó basándose en la intención de cortar el mayor número de discontinuidades posible, de acuerdo con los estudios geológicos realizados en la zona.Las galerías de inyección se revestirán de concreto hidráulico con el fm de resistir la presión hidrostática exterior; no así las galerías de drenaje que se mantendrán sin revestimiento para funcionar como drenes adicionales.

Figura 4. Esquema de inyección tipo.

ll. Descripción del proyecto de las galerías

ll.1. Estrategias de excavación

La zona en donde se localizan las galerías de inyección, drenaje e inspección del P.H, Zimapán se encuentra sujeta a una serie de restricciones, provocadas por otras obras que se desarrollan paralelamente a la excavación de éstas; tal es el caso de la excavación para el empotramiento en las laderas de la boquilla y la propia colocación de concreto en la cortina; por tal motivo, al llevar a cabo los programas para la excavación de las galerías, se propusieron varias estrategias que permitieran ejecutar la obra de modo que interfiriera lo menos posible con los trabajos antes descritos.Debido a lo anterior, el programa de trabajo incluye la excavación de dos túneles de acceso en el nivel inferior 1373 msnm, que permiten la comunicación con la zona de galerías sin interferir con los trabajos en la cortina; además de un par de contrapozos que se alojarán en cada margen, cuya finalidad es posibilitar el acceso a los niveles superiores de las galerías. A continuación, se pueden observar dos esquemas que representan en forma general la distribución de éstas, vistos desde aguas arriba y en planta; cabe mencionar que en el perfil se observan proyecciones ortogonales de las galerías con respecto al eje de la cortina.

Figura 5. Esquema de las galerías.

El primer frente de excavación fue el túnel de acceso de la margen derecha, el cual tuvo una longitud total de 333 m en sección portal de 3.3 x 3.3 m; a partir de este acceso se derivaron las galerías del nivel I 373, todas ellas con sección tipo herradura de 2.8 x 3.3 -3.4 m, así como un crucero que permitió la colocación de la rima para la máquina contrapocera que· excavaría el pozo de esta margen. Posteriormente se procedió a ejecutar el acceso de la orilla izquierda y las galenas correspondientes al nivel I 373, incluido el crucero para el contrapozo de la misma margen. Aparte de las actividades anteriores, la estrategia prevé el ataque de las galerías restantes del nivel más bajo al superior, con el fin de que la colocación de concreto en la cortina se realizara al concluirse la excavación de los niveles inferiores, como se puede apreciar en el programa presentado a continuación.

Figura 6. Programa, general de obra. II.2. Proceso de excavación

El procedimiento de excavación utilizado es el convencional, el cual se realiza a base de una barrenación mediante perforadoras neumáticas con pierna telescópica y el uso de explosivos. A continuación se presenta el ciclo de excavación en forma general.- Amacise del frente y acomodo de rezaga.- Marca topográfica de la sección.- Arrimado de equipo.- Barrenación de la sección superior.- Rezagado del material producto de la voladura anterior.- Marca de la sección inferior.- Barrenación de la sección inferior (incluye la cuña).- Sopleteado de los barrenos.- Carga de alto explosivo cebado (Emulsión).- Carga de bajo explosivo (ANFO).- Conexión de noneles.- Retiro de equipo.- Detonación.- Ventilación.

Figura 7. Secciones tipo y diagrama de voladura. La extracción de la rezaga se realiza ya sea mediante cargadores mineros de bajo perfil de 0.7 m3 de capacidad o cavos de aproximadamente 1m3, según lo permitan las circunstancias del frente.

En seguida se presentan las secciones de excavación correspondientes a los accesos y las galerías, así como el patrón general con el que se ejecutan las voladuras. II.3. Avances, consumos y tiempos

Los rendimientos reales obtenidos hasta la fecha de elaboración de este trabajo se pueden apreciar en las siguientes gráficas, así como la distribución de tiempos y consumos.

Figura 8. Volúmenes de excavación

Figura 9. Consumo de explosivos

Figura 10. Tiempos de excavación galería 1493 M.I(Tiempos por ciclo)

Figura 11. Tiempos de excavación galería 1397 M.D(Tiempos por ciclo)

Características geológicas. LA presa Zimapán está ubicada en el contacto de las formaciones el Soyatal, (silisiclastos carbonatados una intercalación de lutita, limolitas y areniscas del Cretácico superior-Paleógeno) y la formación del Doctor, (Calizas tipo Wakestone, con presencia de milionidos y tucaceas del Cretácico medio-Albiano-cenomaniano). El contacto entre estas dos unidades es discordante lo cual se ve reflejado en unos paleo karts rellenos de terrarosa infrayaciendo a la formación Soyatal. Estructuralmente existen dos fallas, la falla el cajón paralela a la cortina de la presa es del tipo normal con un salto de 500 m ubicada a 100 metros al sur de la cortina, esta falla tiene un rumbo preferencial E-W. Y la cabalgadura el doctor que es del tipo inversa con un rumbo N-S esta falla atraviesa transversalmente la cortina de la presa y pone en contacto las dos formaciones que afloran en la región, en la margen derecha aflora el Doctor, y en la margen izquierda la Soyatal.

Descripción de la muestra tomada. Color al intemperie: gris obscuro. Color al fresco: gris claro Textura: no clástica. Estructura: estratificación de mediana a gruesa 10-30 cm Composición mineralógica: CaCO3 Densidad: media. Grado de alteración: bajo Nombre: caliza tipo Wackestone. Características: la presencia de grifeas y triloculinidos. Usos: como material para construcción.

Consideraciones Geotécnicas. La Presa de Zimapán es la segunda cortina de concreto más alta del país y décima en el mundo en su tipo. Es la primera que funciona con aguas residuales para generación de energía eléctrica. Ahí descarga el drenaje profundo de la ciudad de México, posee el túnel de conducción más largo (21 Kms.), desde la obra de toma hasta la casa de máquinas, con una caída que es la máxima hasta ahora lograda. La Presa de Zimapán es la primera que se diseña con un concepto de desarrollo regional para buscar desconcentrar, en parte, la zona metropolitana del centro del país. Para la construcción de la presa se tuvieron que tomar en consideración los aspectos litológicos presentes, como la karsticidad de las calizas y asegurar la calidad de la misma si iba a ser lo suficientemente resistente para aguantar la disolución y la columna de agua que debía sostener, además por encontrarse en un sistema de fallas de debía asegurar que estas fueran inactivas o tectónicamente estables, y conociendo su ubicación exacta y características estructurales para no construir la cortina sobre una falla.

En referencia a las condiciones geológicas del sitio donde se excavan las galerías descritas en este trabajo, se presenta una síntesis a continuación.Estructuralmente, el cañón es un homoclinaI de 10° de buzamiento de margen derecha a izquierda y hacia aguas abajo. Tiene una altura de 400 m con ambas paredes casi verticales y una anchura de 9m en el cauce y 270 m en su parte superior.Según estudios realizados en esta área, la roca presenta recuperaciones del 91% y RQD de 81% en promedio, en tanto que la velocidad compresional oscila entre los 5000 y los 5100 m/s, y la permeabilidad es de menos de 0.7 unidades Lugeon, es decir, se trata de una roca de buena competencia y baja permeabilidad. En la zona somera de las laderas se presentan fisuras finas casi paralelas a la superficie de la roca, éstas son provocadas por efectos térmicos y la descompresión de esta zona; sin embargo, dichas fisuras no se consideraron para el diseño de las galerías debido a que esta zona se eliminaría con las excavaciones para el empotramiento de la cortina.

Figura 1. Localización del P.H. Zimapán. 

Obras hidráulicas complementarias:

* Obras de excedencia: túnel vertedor (longitud) 618m; diámetro del túnel a la salida. 13.7m; gasto máximo de descarga 2,540 m3/s. * Obra de toma: gasto 50 m3/s. * Conducción: túnel sección tipo herradura 4.7 m; longitud 21.13 m. * Pozo de oscilación: diámetro 12 (m); longitud 132 m. * Tubería a presión: diámetro 3.5 m; longitud 1,050 m. * Casa de maquinas: obras subterránea tipo caverna de 70 m de largo, 22 m de ancho y 38 m de altura, capacidad instalada en dos unidades tipo Pelton 280 MW; generación media anual 1292 GWH; factor de plana 0.53 dos unidades de transmisión 230 Kv c/u. * Costo total de la obra: 800,000,000.0