Evacuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles.

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Universidad de los Andes

Facultad De Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

TESIS DE ESPECIALIZACIÓN

INGENIERÍA DE SISTEMAS HÍDRICOS URBANOS

EVACUACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS POR BOMBEO EN LA

CONSTRUCCION DE TÚNELES.

CASO HIDROELÉCTRICA AMOYÁ.

Preparado por:

Ing. Ximena Portilla Yépez

Asesor:

Ing. Jaime Loboguerrero

Informe Final Tesis

Bogotá, 17 de Febrero de 2012

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Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles.
Caso Hidroeléctrica Amoyá.

Ana Ximena Portilla Yépez

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................... 6

ANTECEDENTES Y OBJETIVOS .................................................................................................................. 7

1.1

ANTECEDENTES .......................................................................................................................................... 7

1.2

OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 7

1.2.1

Objetivos Generales ............................................................................................................................... 7

1.2.2

Objetivos Específicos ............................................................................................................................. 7

ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................................ 8

2.1

SPECTOS

IDROGEOLÓGICOS

......................................................................................................................... 8

2.1.1

Acuíferos ................................................................................................................................................ 9

2.1.2

Funciones de un Acuífero ....................................................................................................................... 9

2.1.3

Afluencia de aguas en los Túneles: Régimen hidrológico subterráneo. ................................................. 9

2.1.4

Afluencia variable del agua, según las circunstancias ........................................................................ 10

2.2

ISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE BOMBEO

. ......................................................................................................... 13

2.2.1

Clasificación general de las bombas .................................................................................................... 13

2.2.2

Bombas de desplazamiento positivo ..................................................................................................... 13

2.2.3

Bombas Rotodinámicas ........................................................................................................................ 14

2.3

URVAS Y PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS BOMBAS

. ........................................................................ 15

2.3.1

Potencia y rendimiento. ........................................................................................................................ 15

2.4

ESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO

........................................................................................................... 16

2.4.1

Localización: El sector donde se llevará a cabo el estudio es en el municipio de Chaparral, al sur del

Tolima. 16

2.5

ROCESO DE EXCAVACIÓN

.............................................................................................................................. 20

METODOLOGÍA............................................................................................................................................. 22

3.1

RENAJE DEL AGUA EN EL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN

................................................................................ 22

3.2

AUDAL A BOMBEAR

...................................................................................................................................... 23

3.3

ARÁMETROS DE DISEÑO

NÁLISIS DE LAS INSTALACIONES EXISTENTES

. ..................................................... 24

3.4

ODOS OPERANDI O

RECUENCIA DE BOMBEO

.............................................................................................. 24

3.5

IPOS DE BOMBAS A UTILIZAR

. ....................................................................................................................... 25

DATOS Y ANÁLISIS DE DATOS ................................................................................................................. 27

4.1

ÁLCULOS DE LA

LTURA

INÁMICA

OTAL

. ............................................................................................... 27

4.2

ÉRDIDAS POR FRICCIÓN

................................................................................................................................. 28

4.3

ACTOR DE FRICCIÓN DE

ARCY

.................................................................................................................... 28

4.4

ÚMERO DE

EYNOLDS

................................................................................................................................. 29

4.5

ÁLCULO DE VELOCIDAD

............................................................................................................................... 29

4.6

URVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA Y DETERMINACIÓN DE LA CURVA DEL SISTEMA

............................... 30

4.7

ONDICIONES DE TRABAJO

: ............................................................................................................................ 31

4.8

RINCIPALES PROBLEMAS ASOCIADOS AL SISTEMA DE BOMBEO EN TÚNELES

. ................................................ 35

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................................. 40

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................. 42

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Ana Ximena Portilla Yépez

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1. LOCALIZACIÓN GENERAL DEL PROYECTO.

FIGURA 2. CAPTACIÓN REJA DE FONDO PRESA VERTEDERO.

FIGURA 3. DESARENADOR Y TÚNEL DE CONDUCCIÓN

FIGURA 4. SECCIÓN DE TÚNEL

FIGURA 5. TÚNEL DE ACCESO A CASA DE MÁQUINAS.

FIGURA 6. CENTRAL DE MÁQUINAS

FIGURA 7. CONSTRUCCIONES INTERNAS DE LA CASA DE MÁQUINAS

FIGURA 8. BIFURCADORES

FIGURA 9.EQUIPOS DE PERFORACIÓN DE DOS BRAZOS, CONSTRUCCIÓN DE LA

CASA DE MAQUINAS.

FIGURA 10. AGUA DE INFILTRACIÓN EN LOS TÚNELES DE AMOYÁ.

FIGURA 11. FRENTES DE PERFORACIÓN AGUAS ABAJO EN CONTRA PENDIENTE

FIGURA 12. CAUDAL A BOMBEAR DEPENDIENDO DE LA LONGITUD DEL TERRENO.

FIGURA 13. BOMBA SUMERGIBLE MAJOR

FIGURA 14. BOMBA SUMERGIBLE MASTER

FIGURA 15. BOMBA SUMERGIBLE MATADOR

FIGURA 16. CÁLCULOS DE LA ALTURA DINÁMICA TOTAL

FIGURA 17. EJEMPLO DE CURVA CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA SOBRE A LA

CURVA DE LA BOMBA Y EL PUNTO ÓPTIMO DE OPERACIÓN.

FIGURA 18. DAÑOS ELÉCTRICOS

FIGURA 19. ESTRANGULAMIENTO EN LA TUBERÍA DE IMPULSIÓN.

FIGURA 20. GOLPES A LA BOMBA DEL FRONTÓN DEL TÚNEL.

FIGURA 21. BOMBAS TRABAJANDO ENTERRADAS EN LODO ESPESO.

FIGURA 22. BOMBAS ENCENDIDAS SIN AGUA SUFICIENTE PARA BOMBEAR

FIGURA 23. ROCA ENCONTRADA EN UNA TUBERÍA DESPUÉS DE HABER AVANZADO

APROXIMADAMENTE 100 M

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Ana Ximena Portilla Yépez

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1 .CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO Y DE LA BOMBA.

TABLA 2. LONGITUD DE LOS TRAMOS DE BOMBEO, CAUDAL ASIGNADO, DIÁMETRO DE
TUBERÍAS.

TABLA 3. CÁLCULOS DE LA ALTURA DINÁMICA TOTAL.

TABLA 4. CURVA DEL SISTEMA EN CADA POZO DE BOMBEO (1-5 POZO)

TABLA 5. CURVA DEL SISTEMA EN CADA POZO DE BOMBEO (6 POZO AL FRONTÓN)

TABLA 6. POTENCIA DE LAS BOMBAS

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Ana Ximena Portilla Yépez

ÍNDICE DE ECUACIONES

ECUACIÓN 1. POTENCIA CONSUMIDA.

ECUACIÓN 2.CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.

ECUACIÓN 3. ALTURA DINÁMICA TOTAL.

ECUACIÓN 4. ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACH

ECUACIÓN 5. ECUACIÓN COLEBROOK- WHITE

ECUACIÓN 6. NÚMERO DE REYNOLDS

ECUACIÓN 7. VISCOSIDAD CINEMÁTICA DEL FLUIDO

ECUACIÓN 8. ECUACIÓN DE CAUDAL RESPETO A LA VELOCIDAD.

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Ana Ximena Portilla Yépez

INTRODUCCIÓN

El Proyecto del río Amoyá, localizado en el municipio colombiano de Chaparral, es una central
hidroeléctrica con una capacidad instalada de 80 MW y una generación anual de energía de 546
GWh, la cual, no requiere de almacenamiento para la generación de energía, conduce el agua a
través de túneles.

En  el  proceso  constructivo  se  realizan  perforaciones  aguas  abajo,  en  contrapendiente,    es  allí
donde se presentan  problemas asociados con el agua de infiltración, la cual es necesario bombear
para que no se acumule en el frontón e impida el avance.

No se puede garantizar que cantidad de agua se va a drenar y en que momento de la perforación
va a surgir por tanto es necesario construir un sistema de bombeo para atender emergencias,
sistemas rápidos, de fácil encendido, que genere las mínimas obras de infraestructura para
trabajar, es decir, tratar de lograr que no se inunde el frente.

En el proceso de excavación se presentan fallas eléctricas, mecánicas y accidentes que deterioran
las bombas, por ello es muy importante hacer una buena selección de los equipos, contar con
sistemas de emergencia eléctricos y bombas de reserva, mantenimientos preventivos continuos
con el fin de lograr que los equipos trabajen a las eficiencias esperadas.

La presente tesis muestra el trabajo que se desarrolló en la construcción  de la hidroeléctrica del
rio Amoyá con el sistema de bombeo del agua subterránea infiltrada en el proceso de excavación;
se  presentan  los  principales  inconvenientes  en  el  montaje  y  construcción  del  tramo  de  mayor
pendiente.

Agradecimientos al ingeniero Jaime Lobo Guerrero por su orientación en el desarrollo de la tesis,
al Consorcio Hidroeléctrica Amoyá por las experiencias adquiridas en el tiempo de ejecución y a
la universidad de los andes por difundir el conocimiento.

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Ana Ximena Portilla Yépez

1 ANTECEDENTES Y OBJETIVOS

1.1

ANTECEDENTES

En  la  construcción  de  la  Hidro-eléctrica  Amoyá  localizada  en  el  municipio  de  Chaparral,
Tolima, se aprovecha el río Amoyá  para la generación de energía, mediante una obra  a filo de
agua.  Este  tipo  de  obra  no  requiere  un  embalse  de  consideración  por  lo  cual    es  considerada
como un sistema de energía limpia por su bajo impacto sobre el ambiente. El agua se conduce a
través  de  un  túnel  de  carga  de  8.700  metros  hasta  la  casa  de  máquinas.  Este  túnel    posee  una
sección excavada en herradura y solera plana. En la excavación se construyeron: dos ventanas de
acceso de 685  y 701 metros cada una, el túnel de acceso a la casa de maquinas de 874 m, tres
galerías  internas  y  el  túnel  de  descarga  el  cual  tiene  2.894  m  de  longitud    donde  el  agua  es
regresada al río. Durante todo el proceso de construcción se requiere drenar el agua subterránea
que  aflora.  Para  el  efecto  se  construyeron  nichos  de  bombeo  en  donde  la  excavación  fue
realizada  en  contrapendiente.  Adicionalmente  para  realizar  la  excavación  se  utilizó  maquinaria
de perforación pesada la cual necesita agua limpia impulsada por bombas de alta presión.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivos Generales

Desarrollar una estrategia para el diseño óptimo del sistema de bombeo en un túnel durante su
construcción.

Aplicar esta estrategia a la construcción de la hidroeléctrica del Río Amoyá en Chaparral,
Tolima.

1.2.2 Objetivos Específicos

 Analizar las instalaciones existentes
 Prediseñar con base en la topografía, los sitios para las estaciones y estimar los caudales

previstos.

 Establecer el modus operandi y confiabilidad asociada.

 Estimar las curvas de los sistemas de bombeo, puntos óptimos de operación, potencia

requerida por cada bomba, selección del diámetro adecuado de tubería por cada frente de
perforación.

 Seleccionar las bombas requeridas a lo largo de la excavación que cumplan con las

necesidades del equipo de perforación.

 Analizar el desgaste de los equipos de bombeo, fallas y problemas técnicos en el proceso

de excavación.

 Calcular el volumen mínimo requerido para la estación de bombeo por cada frente de

perforación.

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Ana Ximena Portilla Yépez

2 ESTADO DEL ARTE

2.1 Aspectos Hidrogeológicos

egún el ciclo hidrológico, hay una porción del agua que se infiltra en la tierra y puede llegar

a ocupar los poros del terreno, tanto en la zona de aireación, en donde aún existe percolación
por coexistencia con poros ocupados por aire, como, posteriormente, en la zona de
saturación, donde ya se habla del agua subterránea como tal.

Entonces se encuentra que no existe un único tipo de agua subsuperficial sino que,
distribuidos en dos zonas, zona saturada y zona no saturada, se encuentran distintos tipos que
obedecen a las fuerzas de capilaridad y gravedad de forma diferente.

Entiéndase como capilaridad como el fenómeno mediante el cual el agua asciende por medio
de una red de conductos interconectados (que son la conexión de los intersticios del suelo y
materiales granulares) gracias a la cohesión y adherencia a la superficie del suelo que la
rodea.

El movimiento del agua, también se verá regido por la presencia o no de poros con aire.
Mientras en la zona no saturada o de aireación, la dirección fundamental del movimiento es
vertical (primero por infiltración y luego por percolación), en la zona de saturación la
dirección del movimiento se vuelve horizontal.

Sin embargo, las reservas de la zona de saturación varían, pues el almacenamiento depende
de la geología de la zona, la porosidad, la explotación del agua y el volumen de recarga
mediante movimiento subterráneo, infiltración y percolación. Por tanto, no existe un estándar
de cantidad de agua, tampoco de espesor de la zona de saturación.

La  precipitación  y  subsiguiente  infiltración,  hacen  posible  la  permanencia  de  niveles  de  la
tabla de agua en la zona de saturación. La cantidad de precipitación  y su continuidad darán
una  mayor  posibilidad  de  remplazar  el  agua  extraída  mediante  explotación,  pero  sin
embargo, la geología del suelo y los patrones de transpiración y absorción radicular, influirá
en el agua que percola de manera efectiva hasta la zona de saturación.

__________________

1. Tomado de: Universidad de los Andes. Seminario: Técnicas de Análisis y Evaluación

de Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia.

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2.1.1 Acuíferos

Definición

Los acuíferos son estratos o formaciones geológicas que por sus características permiten el
almacenamiento y la circulación del agua subterránea y que en gran medida son
aprovechables y están disponibles en la zona de saturación.

Estos medios porosos capaces de transmitir y almacenar agua, sin embargo, pueden estar
disponibles en la zona no saturada (vadosa) o en localizaciones de formación esporádica
como acuíferos colgantes.

 Tipos de Acuíferos

2.1.1.1 Acuíferos Confinados

En un acuífero confinado el agua se encuentra q mayor presión que la atmosférica, dada por
dos estratos impermeables que confinan la capa permeable de donde se extrae el agua.

2.1.1.2 Acuíferos Semiconfinados

En un acuífero semiconfinado el agua se encuentra bajo las mismas condiciones de presión
que las de uno confinado, sin embargo, la capa permeable está confinada por un estrato
impermeable y un estrato semipermeable.

2.1.1.3 Acuífero Libre

En un acuífero libre el agua está ocupando los poros por gravedad (se encuentra a presión
atmosférica) y no tiene confinamiento alguno.

2.1.2 Funciones de un Acuífero

Las dos funciones principales de un acuífero son las de almacenamiento y conductividad. Los
intersticios de las formaciones acuíferas albergan agua y al mismo tiempo la conducen, de
manera en que el almacenamiento es temporal pues circula si no es explotada y puede ser
finalmente descargada hacia cuerpos de agua.

2.1.3 Afluencia de aguas en los Túneles: Régimen hidrológico subterráneo.

La corteza terrestre presenta a menudo terrenos  más o menos porosos, como arenas, u otros
de  la  naturaleza  sólida,  pero  agrietados  en  todos  los  sentidos.  No  es  de  extrañar  que,  al
construir un túnel, se encuentren aguas en mayor o menor abundancia. Por lo que concierne a
su  origen  se  pude  distinguir  las  aguas  superficiales  y  las  aguas  subterraneas.  Las  primeras
tienen su origen cercano, debido a la lluvia, al derretimiento de las nieves o a las filtraciones
de las corrientes de agua próximas a sitio donde pasan más fácilmente dichas aguas, pues por

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Ana Ximena Portilla Yépez

ellas, atraviesan los mantos impermeables que separa á veces la extratificación de los
terrenos, y sin su existencia no llegarían las aguas tan directamente al punto donde se reúnen.

1 Tomado de: Universidad de los Andes. Seminario: Técnicas de Análisis y Evaluación de
Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia.

Las aguas Subterraneas tienen en definitiva el mismo origen descendente que las aguas
superficiales, pero siguen un camino más largo para llegar desde la superficie hasta el sitio
donde se las encuentra, pudiendo á veces venir de muy lejos en el sentido horizontal y hasta
surgir de grandes profundidades en chorros de presión.

Independientemente de las filtraciones en la masa, á través de innumerables canales, los
terrenos presentan a veces verdaderos ríos ó lagos subterráneos, siendo varios los túneles en
que se han encontrado venas de agua de un caudal ó sección extraordinaria.

2.1.4 Afluencia variable del agua, según las circunstancias

La cantidad de agua que tiende a fluir en los trabajos de túnel, como la que realmente fluye,
es variable entre los más extensos límites. Así, por ejemplo se han presentado casos en los
que la perforación ha tenido que abandonarse, pues salía más agua que la que pudiera
drenarse con todas las bombas instaladas, otros muy profundos se han perforado sin encontrar
una gota de agua.

En general, el examen de los terrenos, por lo que se refiere á su naturaleza y topografía y al
estudio  hidrológico  de  la  zona,  puede  dar  alguna  idea  respecto  a  la  afluencia  más  ó  menos
grande de aguas que se encontrará en un túnel;  pero no hay que tener gran confianza en los
resultados de este estudio, que siempre es el más aleatorio ó dudoso de los que se deben hacer
al  emprender  la  construcción  de  un  túnel.  Hay  que  observar  que  las  consecuencias  que  se
deducen  del  estudio  tienen  un  carácter  más  bien  positivo  que  negativo;  es  decir,  que  como
resultado de dicho estudio se prevé que se encontrarán aguas abundantes, es casi seguro que
éstas no faltarán, pero si por el contrario las previsiones son de que no se encontrarán aguas,
no es tan seguro de que estas no se presenten.

La afluencia de aguas puede, pues, ser debida á una de las tres causas siguientes:

1.  Aguas provenientes de terrenos acuíferos superiores.
2.  Aguas provenientes de fallas que se encuentren al ejecutar los trabajos.
3.  Aguas de filtración.

Aguas provenientes de acuíferos superiores. Estos terrenos, aportan cantidades de agua
extraordinarias. Pero si por su extensión es forzoso atravesarlos es preciso hacerlo con ciertas
precauciones:

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Ana Ximena Portilla Yépez

 No abrir los pozos para la ejecución del túnel, por lo menos en toda aquella parte en que

se cruza esta clase de terrenos.

 Si la longitud del túnel es considerable y exige para su conclusión, en un tiempo

razonable, se debe perforar por los dos frentes para construirlo con dos pendientes
inversas para favorecer la natural salida de las aguas sin necesidad de tener que bombear.

 Si las condiciones del terreno imponen un trazado con una sola pendiente, atacar sólo el

túnel por el lado de la pendiente favorable y si es necesario acabar con urgencia, también
perforar por el otro frente, no debe hacerse sin la instalación de un sistema de bombeo y
aun así podrá suceder que por muy reforzado que este el sistema proyectado, no baste
para las atenciones de la realidad.

 Si el túnel se construirá en terrenos acuíferos, se debe instalar revestimientos

impermeables en toda su longitud y base, para disminuir considerablemente la afluencia
constante de agua y que ésta sea sólo importante en el avance, donde todavía no exista el
revestimiento.

Aguas provenientes de fallas que se encuentran con los trabajos.  Cuando la presencia del agua
en  el  terreno  es  debida,  a  fallas  que  se  encuentran  al  avanzar  en  los  trabajos  del  túnel,  las
circunstancias son completamente diferentes.

La cantidad de agua que pude proporcionar el encuentro de una falla, es variable entre los más
extensos límites. En el túnel de Argentera, cuando la galería de avance correspondiente a la boca
de salida llego al kilómetro K2+250, se encontró una falla, casi completamente vertical, que
presentaba un caudal tan extraordinario, que el primer día paso de 2.000 m

para descender en los

demás a unos 1.500m, desapareciendo por completo a los 10 días.

Algunas veces, por el contrario, aunque se encuentren fallas, las aguas serán poco abundantes y
disminuirán por completo al cabo de cierto tiempo.

Casi siempre la aproximación de la falla se reconoce por la mayor humedad de la roca, aun
cuando aquella no reciba directamente filtraciones sensibles que provengan de la superficie.

Aguas  de  filtración.  La  afluencia  de  aguas  provenientes  de  niveles  acuíferos  superiores  ó  de
corrientes  de  aguas  interiores  que  se  encuentran  con  los  trabajos,  son  circunstancias
excepcionales  y  los  puntos  de  afluencia  de  estas  aguas  son  puntos  singulares  entre  los  que
producen la alimentación del caudal de aguas de un túnel.

De ordinario el agua fluye por los diversos puntos de las paredes del túnel, esto es, por los miles
de  agujeros  que  ofrecen  dichas  paredes  sin  aparecer  sobre  ninguno  en  cantidad  notable.  Estas
paredes pueden  similarse a una superficie filtrante, que no proporciona ningún  gasto  apreciable
para  un  elemento  dado,  pero  en  las  que  el  gasto  total  es  gran  a  causa  de  la  extensión  de  la
superficie.

Otro caso importante que mencionar en latino América fue durante la construcción del túnel
común del proyecto hidroeléctrico Alfalfal donde ocurrió un caso de afloramiento de aguas

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Ana Ximena Portilla Yépez

subterráneas,  con un  caudal  de hasta 150 l/s  y  una presión inusualmente  alta, de  100 bar. Esta
anomalía en la presión constituye un caso inédito, por lo menos en lo que a Chile se refiere. Para
superar  este  problema  y  poder  continuar  con  la  excavación  norma  de  dicho  túnel,  el  Grupo
Consultor  Alfalfal  de  Diseño  definió  una  metodología  especial  de  excavación  y  soporte  por
tramos, complementada con una inyección sistemática sobre la base de una lechada de  cemento
bentonita. La interpretación hidrológica considera la experiencia de una zona conductora de agua
coincidente  con  uno  de  los  sistemas  preferenciales  de  discontinuidades,  cuya  abertura  estaría
favorecida  por  el  estado  tensional  del  macizo  rocoso,  permitiendo  así  la  conexión  con  la
superficie, 1.000 m más arriba.

No  es  fácil  calcular  la  cantidad  de  agua  que  se  infiltra  en  un  túnel.  Hoy  en  día  no  existe  un
método generalizado que ayude en este cálculo. En la mayoría de los casos no se puede encontrar
este valor y los problemas por el flujo de agua deben afrontarse durante la construcción, teniendo
muchas  veces  que  hacer  instalaciones  de  evacuación  de  agua  sustancialmente  más  grandes  que
las inicialmente previstas. Además, no ha sido fácil el desarrollo de dicha metodología porque las
características  de  los  terrenos  varían  sustancialmente  de  región  a  región,  haciendo  imposible  la
generalización del problema.

Factores como la permeabilidad y el fracturamiento del macizo son dependientes del tipo de
material y de los esfuerzos presentes, e incluso entre tipos iguales de terreno pueden variar
considerablemente.

Existe una metodología semi-empírica para el cálculo de infiltración de agua en túneles. Se trata
de la desarrollada por el ingeniero Ronal E. Heuer, basada en las condiciones geológicas del
macizo rocoso. El factor principal que se tiene en consideración es la permeabilidad del macizo,
valor que implícitamente representa el grado de fracturamiento de la roca y la cantidad de
discontinuidades presentes en el mismo. Este método fue desarrollado con información de túneles
construidos en diferentes tipos de roca ubicados en diversas regiones de Estados Unidos.

__________________

2. CASTRO, Santiago; CAVIEDES, Jaime; DELUCCHI, Hugo; GAUSEREIDE Leif-

Rune; y VELASCO Lucio. Ocurrencia de aguas subterráneas a gran presión en el
Túnel Común Alfalfal: características, solución adoptada e interpretación. En: Revista
Geotécnica de Chile. Vol 20, Nº 1, (Julio, 1993), p. 85-97.

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Ana Ximena Portilla Yépez

En  el  año  2000  se  realizó  un  estudio  concerniente  a  la  infiltración  de  agua  en  túneles
colombianos, en el cual se verificó el método Heuer para poder determinar si esta metodología es
aceptable  evaluando  su  aplicabilidad  con  base  en  casos  reales  con  los  registros  geológicos  y
geotécnicos  tomados  durante  la  construcción.  Se  encontró  que  el  método  no  es  aplicable  para
calcular la infiltración de agua en los túneles colombianos.

Por todo lo anteriormente expuesto es necesario contar con un sistema de bombeo que permita la
evacuación de las aguas de infiltración y de perforación que aparezcan en los túneles para que
haya menos interrupciones en el avance de la construcción.

2.2 Diseño de una estación de bombeo.

Diseñar una estación de bombeo, incluye la selección de equipos de bombeo más adecuados, la
definición de todos los elementos y accesorios menores, eléctricos y el dimensionamiento de la
obra civil que los contendrá.

Por lo anterior antes de comenzar con las labores de cálculo y definición es fundamental fijar los
criterios de diseño;

2.2.1 Clasificación general de las bombas

Una bomba es un máquina que transforma energía mecánica en energía hidráulica, evaluada por
el producto del caudal a presión. Es decir su finalidad básica es transmitir un caudal dado una
presión determinada, y esto lo puede llevar a cabo de varias maneras. Esta forma de transmitir la
energía al fluido, constituirá la primera clasificación de las bombas entre las bombas
volumétricas y bombas rotodinámicas.

2.2.2 Bombas de desplazamiento positivo

Principios de funcionamiento: En las bombas volumétricas, la máquina le transmite la presión al
fluido mediante un cambio de volumen en el reducto donde éste se halla situado.

Clasificación: Depende básicamente de tipo de movimiento del elemento móvil.

1. Reciprocantes: En las cuales el movimiento que produce el cambio de volumen que

provoca el aumento de presión en el fluido es alternativo o de vaivén.

2. Rotativas: En las cuales dicho cambio de volumen, es consecuencia de un movimiento

rotativo.

__________________

3. CASTAÑO, Juliana. Infiltración de Agua en Túneles Colombianos. Santa Fé De Bogotá,

2000. Proyecto de Grado. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería.
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

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Ana Ximena Portilla Yépez

Ventajas:

 Se puede alcanzar presiones tan altas como aguanten los materiales que las constituyen.

 Requerimientos de transmisión de la energía muy elevados, superiores al 90%.

 Autoaspirantes, no necesitan ser cebadas.

 Altas eficiencias.

Desventajas:

 Son considerablemente más costosas y requieren más mantenimiento que las centrifugas.
 Son más delicadas y con mayor incidencia de fallos.

 Menor potencia específica, son más pesadas y voluminosas que las centrífugas.

 Solo para caudales muy limitados.

 Al tratarse de movimiento no continuo (altenativas) las piezas en movimiento producen

fuertes inercias que transmiten esfuerzos considerables al resto del equipo y a los anclajes.
Por ello se limita el caudal que puede mover.

 Si falla alguna válvula de seguridad, puede reventar el sistema por sobrepresión.

Campos de aplicación fundamental son los trabajos especiales en los que se requieren muy
fuertes presiones y caudales limitados o fluidos viscosos o densos (fangos, aceites, hormigón)
como bombas dosificadoras.

2.2.3 Bombas Rotodinámicas

Principios de funcionamiento: La bomba le transmite la presión al fluido mediante cambios de
velocidad y de dirección en las partículas del fluido, no hay cambios volumétricos de ningún tipo.
Por lo tanto la energía se transmite al fluido mediante un elemento móvil denominado impulsor o
hélice, siempre rotativo.

Clasificación: De acuerdo al tipo de impulsor o forma en que se transmite la energía. A la vez se
clasifican:

a. Bombas radiales: Estas bombas transmiten la energía al fluido en forma de velocidad y

presión, mediante la fuerza centrífuga, este tipo de bombas de rodete es adecuado para
presiones medio altas (5 150 mca) y caudales moderados.

b. Bombas axiales: En estas bombas la energía no se transmite mediante un cambio de

dirección de las partículas del fluido, sino mediante un cambio de velocidad como
consecuencia del empuje físico que los álabes originan sobre la misma, es decir mediante
una fuera superficial. Este tipo de impulsor o hélice es adecuado para presiones bajas (0,5
a 10 mca) y grandes caudales.

c. Bombas semiaxiales: En estas bombas la energía se transmite al fluido por el cambio de

velocidad y de dirección de las partículas.

d. Bombas en funcionamiento en seco: Son bombas en las que todas sus partes exteriores,

tanto voluta como motor se encuentran fuera del líquido.

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e. Bombas sumergibles: Bombas en las que todos o parte de sus componentes

principalmente voluta y motor se encuentran sumergidos. No requieren cebado y su
arranque es muy sencillo.

f. Bombas monoetapas: Bombas con un solo rodete o impulsor, sencillas, robustas y

económicas, tienen limitaciones de presión y requieren mayor espacio.

g. Bombas multietapas: Bombas con varios impulsores conectados en serie, permiten

alcanzar presiones mayores, requieren mayor mantenimiento y son más costosas. Son
utiliadas en bombeos de alta presión, en bombeos con poco espacio.

2.3 Curvas y parámetros característicos de las bombas.

2.3.1 Potencia y rendimiento.

Una bomba está constituida por un motor eléctrico, una parte mecánica y una parte hidráulica. El
motor eléctrico debe tener la capacidad suficiente para satisfacer la máxima demanda de potencia
que le exija el impulsor, más las posibles pérdidas internas.

La potencia consumida en el eje del motor (P

eje

) es siempre menor que la potencia consumida por

la red (P

). Esto se debe a las pérdidas que se originan en el interior del motor (en el bobinado de

cobre y en el núcleo ferramagnético), en los rodamientos, cierres mecánicos y demás
componentes mecánicos.

eje

(W)=P

-P

per

Ecuación 2. Potencia consumida.

Por lo tanto, conociendo la intensidad consumida por el motor en amperios, la tensión de la red
en voltios y el factor de potencia (coseno de j), se puede obtener la potencia consumida por el
grupo motor- bomba de la red.

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2.4 Descripción de la zona de estudio

A continuación se describen las principales características de la zona de estudio que se tienen en
cuenta en el desarrollo del proyecto.

2.4.1 Localización: El sector donde se llevará a cabo el estudio es en el

municipio de Chaparral, al sur del Tolima.

Figura 1. Localización general del proyecto.

El Proyecto del río Amoyá, es una central hidroeléctrica con una capacidad instalada de 80 MW
que pretende reducir las emisiones de CO

de la red eléctrica nacional mediante la construcción

de una planta de generación de energía a filo de agua.

Este tipo de obra no requiere un embalse de almacenamiento por lo cual es considerada como un
sistema de energía limpia por su bajo impacto sobre el ambiente.

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Figura 2. Captación reja de fondo presa vertedero.

El agua entra a un desarenador y se conduce a través de un túnel de carga de 8.700 metros hasta
la casa de máquinas. Este túnel posee una sección excavada en herradura y solera plana

Figura 3. Desarenador y túnel de conducción

Figura 4. Sección de túnel

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Antes  de  la  llegada  a  la  casa  de  maquinas,  el  túnel  llevara  un  blindaje  metálico  de
aproximadamente  150  m  de  longitud    para  controlar  el  gradiente  hidráulico  que  puede
desarrollarse en el sector de aguas arriba de la caverna.

El túnel de acceso a la casa de maquinas de 874 m, donde se alojara la central subterránea tiene
tres galerías internas  y el túnel de descarga el cual tiene 2.894 m de longitud  donde el agua es
regresada al río.

Figura 5. Túnel de acceso a casa de
máquinas.

Figura 6. Central de Máquinas

Dentro de esta estructura subterránea se están construyendo 6 niveles en donde se destacan:

• El nivel inferior llamado piso de bombas.
• Los niveles donde se encuentran los pisos de generación llamados pisos de turbinas y

piso de equipos electromecánicos y el nivel principal llamado sala de montaje.

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Figura 7. Construcciones internas de la Casa de Máquinas

En la culata de aguas arriba se encuentra un nicho que alojara un edificio de tres pisos en donde
se controlan todos los equipos de la central. El túnel de carga se bifurca en dos ramales blindados
que llegan cada uno a una válvula esférica de tipo rotor.

Figura 8. Bifurcadores

Proceso de Generación de Energía consiste en la conversión de energía mecánica en energía
eléctrica y se logra en forma controlada por medio de la utilización de una serie de dispositivos
cuya parte central es el conjunto de la turbina y el generador.

El agua después de su recorrido por el túnel de carga pasa a cada unidad de generación llegando a
los blindajes del distribuidor en forma de caracol que se encarga de repartir el agua a presión a
cada uno de los 6 inyectores de la turbina pelton de eje vertical generando un movimiento
circular.

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Ese movimiento es transmitido al generador de corriente alterna en donde se genera la energía
eléctrica por efecto de inducción electromagnética.

De esta forma cada generador provee de una potencia nominal de 40 mvatios = 80 mvatios entre
las dos unidades.

Esta energía es entregada a través de los ductos de barras a una tensión de 13.8 KV a dos
transformadores de potencia. La energía pasas a una estación de maniobra encapsulada para ser
llevada al exterior, donde la energía se entrega al sistema interconectado nacional.

2.5 Proceso de excavación

El  proceso  de  excavación  utilizado  es  el  convencional,  el  cual  se  realiza  a  base  de  una
barrenación  mediante  equipos  de  perforación  neumáticos  y  el  uso  de  explosivos,  la  siguiente
figura  muestra  el  equipo  de  perforación  “jumbo”.    A  continuación  se  presenta  el  ciclo  de
excavación en forma generalizada.

 Amacise del frente y acomodo de rezaga.

 Marca topográfica de la sección

 Acercamiento de equipos

 Barrenación de la sección superior (incluye la cuña).

 Sopleteado de los barrenos
 Carga de alto explosivo cebado

 Carga de bajo explosivo

 Conexión de noneles

 Retiro de equipo

 Detonación

 Ventilación

Estos ciclos se llevan a cabo para avanzar con la excavación del túnel, por tanto se requiere
realizar varios frentes de excavación para progresar la obra, los avances son a favor de la
pendiente o en contrapendiente.

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Figura 9. Equipos de perforación de dos brazos,

construcción de la Casa de Maquinas.

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3 METODOLOGÍA

3.1 Drenaje del agua en el proceso de construcción

El agua que se infiltra en el interior del túnel debe ser conducida a colectores de drenaje
longitudinal que puede ser evacuada por gravedad en túneles superficiales, pero deben ser
bombeadas cuando los túneles están a profundidades considerables.

Cuando el avance de obra se hace en contrapendiente al terreno, se presenta el represamiento del
agua de infiltración, más el agua que se usa en los equipos para perforación que es 1,5 litros por
segundo (l/s) por cada brazo del equipo de perforación, en la zona del frontón, la cual es atacada
en el momento del avance.

Figura 10. Agua de infiltración en los túneles de Amoyá.

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Varios factores como variaciones en el sistema eléctrico, fallas eléctricas o mecánicas hacen que
los túneles se inunden. La siguiente figura muestra los volúmenes de agua que drenan hacia el
frente.

Los frentes de perforación que van en contrapendiente tienen necesariamente que bombear el
agua hacia la superficie o hacia otra de las galerías donde la pendiente sea positiva y el agua salga
por gravedad.

En  el  proyecto  se  construyeron:  dos  ventanas  (1  y  2)  de  acceso  de  685  y  701  metros
respectivamente, la Ventana 1 será confinada permanentemente mediante un tapón de concreto al
finalizar la obra  y la Ventana 2 se ha previsto un blindaje que permita trabajos  de inspección  y
mantenimiento del túnel de presión.

Figura 11. Frentes de perforación aguas abajo en contra pendiente

Fue necesario construir las ventanas para acceder a la sección aguas abajo que junto al túnel de
presión fueron perforadas en contrapendiente.

El túnel de Presión y la Ventana 1 aguas abajo con una pendiente del terreno negativa del cuatro
por ciento (- 4%) y la Ventana 2 aguas abajo con una pendiente del 10,26 por ciento, la cual fue
escogida para realizar el estudio por las complicaciones de operación, construcción y acceso.

3.2 Caudal a bombear

En la zona de estudio no se cuenta con un estudio de caudales ni con una modelación hídrica, es
decir, se desconoce el caudal de diseño de bombeo en los frentes de perforación, por lo cual se
recurre a las especificaciones técnicas del proyecto, donde menciona un caudal de 30 l/s por
frente de perforación, los cuales se distribuirán a lo largo del tramo de estudio.

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3.3 Parámetros de diseño: Análisis de las instalaciones existentes.

La longitud total del frente es 1,483.71 metros y se requiere bombear por tramos para controlar el
agua en el frontón o zona de perforación, el caudal es variable a lo largo del túnel e incierto.

Se construyeron pozos de bombeo cada 200 metros aproximadamente con una profundidad de 1,5
metros, con el objetivo de que el agua que escurre por la vía debe llegar al pozo y ser bombeado
hacia la siguiente estación.

Figura 12. Caudal a bombear dependiendo de la longitud del terreno.

Lograr tramos relativamente uniformes, como se observa en a gráfica anterior, permite hacer
cambios de la bomba en la estación cuando se generan daños por caídas de voltaje o caídas de
fase, es decir problemas eléctricos o mecánicos causado por desgaste en las piezas.

3.4 Modus Operandi o Frecuencia de bombeo

La necesidad del avance en el proceso de excavación exige que el bombeo sea permanente, ya
que el desarrollo del proyecto requiere establecer plazos mínimos establecidos en el momento de
firmar el contrato. Los daños en una de las bombas serian causante de la interrupción en la
secuencia de drenaje lo que implicaría inundación del túnel y retrasos en los trabajos de avance.

Otro  problema  generado  por  la  interrupción  del  bombeo  es  el  deterioro  de  las  vías  ya  que  para
poder garantizar el tránsito de los equipos se requiere tapar los “peines” o las deformaciones del
terreno  producto  de  la  voladura  usando  para  ello  un  material  clasificado  gravilla  fina  o  recebo
para permitir el tránsito de vehículos al interior del túnel. Esto proporciona cumplimiento en las
metas  establecidas  al  lograr  los  tiempos  de  ejecución  programados  en  cada  actividad  en  el
proceso de perforación y avance de obra.

100

150

200

250

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

Ter

)

Caudal (l/s)

Caudal de Bombeo Vs

Longitud del tramo

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Para evitar estos inconvenientes, retrasos e inundaciones del túnel, se debe contar con bombas de
reserva ya que con frecuencia se presentan problemas eléctricos, mecánicos y accidentes. Dejar
pasar el tiempo sin reaccionar rápidamente, es evidentemente el principal problema ya que el
agua de infiltración inunda rápidamente el túnel y las pérdidas económicas son gigantescas

3.5 Tipos de bombas a utilizar.

Para el desarrollo del proyecto se escogieron bombas sumergibles por las siguientes ventajas:

 No requiere aspiración por lo tanto no requiere cebado, por tanto el arranque es más

rápido, punto crucial en proyectos donde la pérdida de tiempo produce grandes pérdidas.

 Requiere una obra civil mínima garantizar la sumergencia de la bomba y un desarenador

para finos y arenas.

A continuación se presentan las curvas características de las bombas seleccionadas para bombear
el túnel.

Figura 13. Bomba Sumergible, Marca Grindex, Modelo Major N y H.

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Figura 14. Bomba Sumergible, Marca Grindex, Modelo Master N y H.

Figura 15. Bomba Sumergible, Marca Grindex, Modelo Matador N y H.

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4 DATOS Y ANÁLISIS DE DATOS

4.1 Cálculos de la Altura Dinámica Total.

Mediante el uso de las ecuaciones de Colebrook-While y la de Darcy-Weisbach se puede llevar a
cabo el cálculo de tuberías simples. Se inicia con la ecuación de conservación de la energía para
una tubería que parte de un tanque de nivel constante, se puede plantear la ecuación de Bernoulli
entre los puntos 1 y 2 para llegar a la ecuación

ℎ

+ 𝑍

𝑉

2𝑔

+ 𝑧

𝑃

𝜌𝑔

+ ℎ

𝑓

+ ∑ ℎ

𝑚

Ecuación 2.Conservación de la energía.

Figura 16. Cálculos de la altura dinámica total

Si el punto 2 es la salida de la tubería, el término de la altura de velocidad desaparece ya que el
flujo pierde su velocidad y la presión en la salida es igual a la atmosférica.

__________________

4. SALDARRIAGA, Juan. Hidráulica de Tuberías. Abastecimiento de agua, redes, riegos.
Alfaomega. Bogotá, D.C., 2007.

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𝑣

2𝑔

= 0 𝑦

𝑝

𝜌𝑔

= 0

Por tanto la altura total producida por la bomba debe ser la siguiente ecuación:

𝐻 = 𝑧

+ ℎ

𝑓

+ ∑ ℎ

𝑚

Ecuación 3. Altura dinámica total.

4.2 Pérdidas por fricción

Usando la ecuación de Darcy-Weisbach para el cálculo de las pérdidas por fricción (h

ℎ

𝑓

= 𝑓

𝑙

𝑑

𝑣

2𝑔

Ecuación 4. Ecuación de Darcy-Weisbach

f: factor de fricción

v: velocidad

g: gravedad

d: diámetro de la tubería

l: longitud de la tubería

4.3 Factor de fricción de Darcy

Para resolver esta ecuación es necesario conocer el valor del factor de fricción f de Darcy en la
ecuación no explícita de Colebrook- White:

√𝑓

= −2𝑙𝑜𝑔

[

𝑘

𝑠

3,7𝑑

2.51

𝑅𝑒√𝑓

]

Ecuación 5. Ecuación Colebrook- White

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Que a su vez depende del número de Reynolds.

4.4 Número de Reynolds

El  número  de  Reynolds  relaciona  la  densidad,  viscosidad,  velocidad  y  dimensión  típica  de  un
flujo  en  una  expresión  adimensional,  dicho  número  o  combinación  adimensional  aparece  en
muchos  casos  relacionado  con  el  hecho  de  que  el  flujo  pueda  considerarse  laminar  (número  de
Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

Ecuación 6. Número de Reynolds

donde:

ρ: densidad del fluido
v

: velocidad característica del fluido

D: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del
sistema
μ: viscosidad dinámica del fluido
ν: viscosidad cinemática del fluido

𝜗 =

𝜇
𝜌

Ecuación 7. Viscosidad cinemática del fluido

4.5 Cálculo de velocidad

𝑄 = 𝑣. 𝐴 𝑣 =

𝑄

𝐴

Ecuación 8. Ecuación de Caudal respeto a la velocidad.

Q: Caudal distribuido hipotéticamente independiente a lo largo del túnel.
A: Área de la tubería utilizada.

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4.6 Curva característica de la bomba y determinación de la curva del

sistema

La  curva  característica  relaciona  todas  las  posibles  combinaciones  de  caudal  (Q)  y  presión  o
altura  dinámica  total  (H),  que  una  determinada  bomba  puede  proporcionar,  es  la  curva  más
importante de las que describen el funcionamiento de la bomba. Esta curva suele venir limitada
en  sus  dos  extremos,  es  decir  se  restringe  el  funcionamiento  de  la  bomba  en  las  zonas
correspondientes  a  caudales  muy  bajos  (zonas  altas)  y  a  caudales  muy  altos  (zona  baja)  con  el
objetivo de protegerla de malos funcionamientos, en la siguiente figura se observa en un círculo
azul el punto óptimo de operación.

Con  la  información  obtenida  en  la  etapa  de  levantamiento  de  datos  se  elabora  la  curva
característica  del  sistema,  la  cual  representa  la  altura  de  la  carga  total  que  deben  vencer  las
bombas funcionando a los  diversos  caudales calculados o asignados.  La  curva del  sistema es  la
representación gráfica de la suma de la altura estática, las pérdidas por fricción, las perdidas por
accesorios menores y las pérdidas singulares del sistema con respecto al caudal. (Figura 17).

Figura 17. Ejemplo de curva característica del sistema sobre a la curva de la bomba y

el punto optimo de operación.

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4.7 Condiciones de trabajo:

Las siguientes son las características del fluido.

Tabla 1 .Características del fluido y de la bomba.

Con lo anterior se puede calcular el diagrama de cada tramo de bombeo en una longitud total de
1483.71 con una pendiente del terreno del 10,26%.

Se construyeron siete cárcamos de bombeo, los cuatro primeros con tubería de 6 pulgadas y los
otros con tubería de cuatro pulgadas de polietileno de alta densidad, dicha tubería tiene un
diámetro diferente al comercial es cual esta especificado en la siguiente tabla, donde se calcula la
velocidad y el área.

Tabla 2. Longitud de los tramos de bombeo, caudal asignado, diámetro de tuberías.

Adicionalmente se calcula el número de Reynolds, el coeficiente de fricción para obtener las
perdidas menores y las pérdidas por fricción para finalmente calcular la Altura Dinámica Total y
la potencia requerida para mover el caudal bajo esas condiciones.

998.2

Kg/m

0.001005 Pa.s

0.00000114

9.81

m/s

85 %

0.00015

Longitud total
del tramo

1,483.71

0.00000114

∑km

4.21

Pendiente
Tramo

10.26%

Caudal
Específico

0.02

l/s*ml

DATOS

Características del fluido

Características de la bomba

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Tabla 3. Cálculos de la altura dinámica total

Con estos datos se puede calcular la curva del sistema asociado a la curva de la bomba elegida
para cada tramo, teniendo en cuenta el caudal asignado de acuerdo a las distancias a bombear. La
tubería se escogió tratando de disminuir las pérdidas por fricción, para que la bomba opere en la
zona de máxima eficiencia.

H Altura

Topográfica

F de

seguridad

Altura

Dinámica

Total

Potencia

(m)

Primer tramo

294,855.47

0.021408

12.64

1.55

20.52

0.69

35.40

11.44

Segundo tramo

255,109.77

0.021533

9.04

1.16

19.49

0.59

30.29

8.47

Tercer tramo

217,351.36

0.021691

6.26

0.84

18.47

0.51

26.09

6.21

Cuarto tramo

181,580.22

0.021896

4.90

0.59

20.52

0.52

26.53

5.28

Quinto tramo

196,992.39

0.023704

17.65

1.34

21.65

0.81

41.45

6.44

Sexto tramo

138,751.14

0.024213

8.73

0.66

21.14

0.61

31.14

3.41

Septimo tramo

81,892.71

0.025296

3.09

0.23

20.52

0.48

24.31

1.57

Frontón

26,690.34

0.027889

0.17

0.02

9.92

0.20

10.32

0.22

Tramo/cárcamo

de bombeo

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Tabla 4. Curva del sistema en cada pozo de bombeo (1-5 pozo)

Tramo

Long

Tramo

H Altura

Topográfica

Caudal

Tubería

H fricción

ADT

Curva de la Bomba

Modelo

(m)

(l/s)

(pulgadas)

(m)

200.0

20.5

33.0

12.62

35.39

Matador H

190.0

19.5

28.5

9.03

30.28

Matador N

180.0

18.5

24.3

6.25

26.08

Master H

200.0

20.5

20.3

4.90

26.52

Master H

211.0

21.6

15.9

17.63

41.43

Master H

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Tabla 5. Curva del sistema en cada pozo de bombeo (6 pozo al frontón)

Tabla 6. Potencia de las bombas

Tramo

Long

Tramo

H Altura

Topográfica

Caudal

Tubería

H fricción

ADT

Curva de la Bomba

Modelo

(m)

(l/s)

(pulgadas)

(m)

206.0

21.1

11.2

8.72

31.13

Major H

200.0

20.5

6.6

3.08

24.31

Major H

96.7

9.9

2.1

0.17

10.32

Major H

Tramo

Long

Tramo

H Altura

Topográfica

Caudal Tubería

ADT

Modelo

(m)

(l/s)

(θ)

(m)

(Kw)

de la bomba

200.0

20.5

33.0

35.39

23.00

Matador H

190.0

19.5

28.5

30.28

21.00

Matador N

180.0

18.5

24.3

26.08

12.50

Master H

200.0

20.5

20.3

26.52

12.00

Master H

211.0

21.6

15.9

41.43

11.00

Master H

206.0

21.1

11.2

31.13

7.50

Major H

200.0

20.5

6.6

24.31

6.30

Major H

96.7

9.9

2.1

10.32

5.00

Major H

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Ana Ximena Portilla Yépez

4.8 Principales problemas asociados al sistema de bombeo en túneles.

 Fallas eléctricas

En cuanto a los problemas más comunes que se puede encontrar en un motor es:

 Quemado de bobinados: las razones pueden ser por fallos en la corriente o fallos en la

tensión.

Las altas tensiones por encima de la nominal producen aumentos de temperatura en el bobinado.
Esta temperatura no causa normalmente un daño inmediato, se va deteriorando lentamente el
aislamiento hasta generarse la falla.

Cuando el fallo es por sobre corriente o por sobrecarga en el motor, puede ser resultado de:

 Tensión baja

 Impulsor bloqueado

 Refrigeración escasa o nula.

 Fricción excesiva en rodamientos, casquillos o impultor.
 Alta temperatura del agua a bombear.

Otro tipo de fallo es por corriente asimétrica. Las bobinas de una o dos fases del motor resultan
quemadas. El fallo puede ocurrir cuando una de las fases de la red de suministro se desconecta,
por ejemplo cuando un fusible se funde, el motor continúa trabajando con mayor consumo en las
otras fases.

Fallas asociadas a la tensión pueden ser causadas por:

 Sobretensión que produzca un coto circuito

 Baja calidad de material aislante. El aislamiento se pude consumir si el motor se

sobrecalienta o se sumerge en el agua.

 Fallo en el bobinado del motor.

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Figura 18. Daños eléctricos

 Cambio del diámetro de la tubería de descarga

En el afán del avance de la excavación se puede improvisar con materiales inapropiados para las
bombas, como son las tuberías de descarga.

La siguiente foto muestra una bomba de 11 HP de fuerza con un diámetro de descarga original de
4 pulgadas transformada a 2 pulgadas con un acople de fabricación casera.

Figura 19. Estrangulamiento en la tubería de impulsión.

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 Golpes en la bomba de achique o bomba del frontón en el frente de excavación

Después del proceso de voladura, extracción de gases y desprendimiento de materiales sueltos se
procede a rezagar para retirar el material demolido, pero en ese tiempo hay una acumulación de
agua en el frontón que debe ser removida para que el equipo pueda entrar y retirar la rezaga.

Muchas veces el operador del cargador de bajo perfil “toro” no se prevé la existencia de la bomba
y la golpea la siguiente figura ilustra casos de deformaciones de bombas por golpes. Se
recomienda una señalización visible para evitar o minimizar esos daños.

Figura 20. Golpes a la bomba del frontón del túnel.

 Falta de mantenimiento.

Trabajar continuamente 24 horas sin suspender actividades implica mayor desgaste, es necesario
contar con un programa de mantenimiento, se recomienda una frecuencia de 350 horas de
operación aproximadamente.

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 Falta de limpieza en los pozos de bombeo.

Se acumula el lodo residuo del proceso de perforación en cada estación de bombeo, los finos y
las arcillas deterioran el interior de la bomba.

Figura 21. Bombas trabajando enterradas en lodo espeso.

 Bombas que trabajan sin agua.

La bomba no es apagada en su debido tiempo sino que sigue trabajando con ausencia de agua.

Figura 22. Bombas encendidas sin agua suficiente para bombear.

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 Ingreso de roca fracturada de la voladura en las tuberías.

Si después de la detonación no se protege las tuberías, muy posiblemente pueden entrar rocas a
presión en los tubos impidiendo drenaje del agua.

Figura 23. Roca encontrada en una tubería después de haber

avanzado aproximadamente 100 m.

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5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

 La cantidad de agua que fluye en los túneles, es variable, se han presentado casos en los

que  la  perforación  ha  tenido  que  abandonarse,  pues  salía  más  agua  que  la  que  pudiera
drenarse con todas las bombas instaladas, otros túneles muy profundos se han perforado
sin  encontrar  una  gota  de  agua.  Por  tanto  es  necesario  instalar  el  sistema  de  bombeo
oportunamente  así  no  se  presenten  indicios  de  grandes  vertimientos  de  agua,  ya  que  los
imprevistos se presentan en cualquier momento de la perforación.

 Un factor importante en el proceso constructivo de los túneles es establecer donde se

construirán los pozos de bombeo, se recomienda tratar de estandarizar las distancias,
mientras el terreno lo permita, para poder hacer mantenimientos y remplazar las bombas
averiadas o dañadas, de esta forma se amplia las opciones para remplazar en cada pozo.

 Los procesos de excavación en túneles exigen que no se puede suspender el bombeo ya

que implicaría inundación del frente de trabajo, por tanto es necesario plantear estrategias
que ofrezcan confiabilidad, como el mantenimiento preventivo antes que el correctivo, la
presencia permanente de bombas de reserva, un personal eléctrico capacitado en caso de
fallas o variaciones en el voltaje, son algunas maniobras recomendables para evitar
problemas con los sistemas de bombeo.

 El mercado ofrece gran variedad de bombas, el uso de bombas sumergibles tiene sus

ventajas en este tipo de proyectos ya que el arranque es más rápido, punto crucial donde la
pérdida de tiempo se traduce en pérdidas económicas, por otra parte este tipo de bombas
requiere de mínimas obras civiles lo que representa ahorro en el momento de la
construcción.

 Para seleccionar la bomba adecuada es necesario tener en cuenta que trabaje en la zona

óptima de operación con el objetivo de protegerla de malos funcionamientos y para
obtener de ella su máxima eficiencia.

 Los principales problemas asociados con el bombeo de aguas en los túneles el proceso

constructivo se generan por fallas eléctricas, es indispensable contar con un sistema de
emergencia, una planta eléctrica que se encienda rápidamente.

 Hay bombas que necesitan ser “reseteadas” posterior a la falla eléctrica o se apagan hasta

que se haga el encendido manual, se recomienda contar con transporte disponible para
minimizar los tiempos perdidos, ya que como las bombas están en secuencia, no deben
trabajar sin agua.

 Las altas tensiones por encima de la nominal producen aumentos de temperatura en el

bobinado de las bombas eléctricas, esta temperatura no causa normalmente un daño

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inmediato, se va deteriorando lentamente el aislamiento hasta generarse la falla en la parte
interna de la bomba.

 Se recomienda contar con dos bombas de reserva por cada frente de perforación, una para

el achique del frontón y otra que remplace a las de mayor tamaño.

 Se recomienda cumplir con un programa de mantenimiento cada 350 horas mínimo por

cada bomba que trabaje las 24 horas continuas.

 Se recomienda limpiar los pozos de bombeo una vez al día para evitar que las bombas se

deterioren de forma acelerada, las arenas y los finos dañan los impulsores y en general la
parte interna de la bomba.

 Para disminuir los tiempos de bombeo se recomienda en el momento de la voladura no

apagar las bombas, dejar que sigan bombeando en los cárcamos. Apagar solo la bomba
del frontón.

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6 BIBLIOGRAFÍA

 Tomado de: Universidad de los Andes. Seminario: Técnicas de Análisis y Evaluación de

Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia.

 CASTRO, Santiago; DELUCCHI, Hugo; GAUSEREIDE Leif-Rune; CAVIEDES, Jaime

y VELASCO Lucio. Ocurrencia de aguas subterráneas a gran presión en el Túnel Común
Alfalfal: características, solución adoptada e interpretación. En: Revista Geotécnica de
Chile. Vol 20, Nº 1, (Julio, 1993), p. 85-97.

 CASTAÑO, Juliana. Infiltración de Agua en Túneles Colombianos. Santa Fé de Bogotá,

2000. Proyecto de Grado. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería.
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

 SALDARRIAGA, Juan. Hidráulica de Tuberías. Abastecimiento de agua, redes, riegos.

Alfaomega. Bogotá, D.C., 2007.

Evacuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles.

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