Demostración de dragado con bomba EDDY en el embalse de Cresta

por LARRY L. HARRISON 1, Miembro ASCE y HARRY P. WEINRIB

En 1994 se realizó en Cresta Reservoir en el norte de California una prueba de demostración de una nueva tecnología de dragado de lodo respetuosa con el medio ambiente utilizando la «bomba EDDY», una bomba de lodo de vórtice patentada, para verificar sus capacidades de rendimiento y determinar los impactos ambientales potenciales del dragado propuesto. El embalse, situado en la bifurcación norte del río Feather, en el condado de Plumas, ha acumulado unos 2,3 millones de metros cúbicos de sedimentos, llenando casi la mitad de su capacidad total desde que se puso en servicio en 1949. Los sedimentos ponen en peligro el funcionamiento fiable de la presa y de la central eléctrica de Cresta, de 70.000 kW, al obstruir los desagües del embalse. Desde mediados de los años ochenta, el propietario ha llevado a cabo una serie de estudios exhaustivos para investigar alternativas de gestión de sedimentos para el embalse.

Para la demostración de la bomba EDDY, se dragaron aproximadamente 7.833 metros cúbicos de depósitos de sedimentos arenosos cerca de la presa de Cresta y se devolvieron al fondo del embalse 600 metros aguas arriba. Se controlaron la turbidez, los sólidos en suspensión, el oxígeno disuelto, el caudal, la densidad de los purines y la tasa de producción. Se concluyó que el desempeño de la draga excedió las especificaciones de producción del fabricante y cumplió fácilmente con los estándares restrictivos de calidad del agua. Se mantuvieron densidades de los purines superiores al 70% de sólidos en peso y se alcanzaron picos superiores al 90%. Se observaron tasas de producción de más de 230 metros cúbicos por hora. La turbidez máxima del penacho de vertido fue de sólo 12 unidades nefelométricas de turbidez (NTU) por encima de la ambiental.

Antecedentes

Proyecto 2017 – Proyecto Sistema de Esclusas del Canal. La bomba de dragado colgante de cable de 8 pulgadas se utilizó para extraer arena para este proyecto de ampliación.

Desde 1984, el propietario del embalse de Cresta ha evaluado una serie de métodos para abordar los problemas de sedimentos en el mismo. y en el embalse similar de Rock Creek, situado aguas arriba. Se consideró la posibilidad del dragado bivalvo y de succión hidráulica con eliminación de sedimentos por camión, ferrocarril o tubería de lodos a vertederos distantes. Todas estas opciones implican impactos ambientales potenciales que podrían afectar negativamente a la ecología acuática y terrestre de interés para los organismos reguladores. El plan actual del propietario exige un dragado limitado en las presas seguido de un paso controlado de sedimentos río abajo durante las crecidas. Para el dragado de producción, la Junta Regional de Control de la Calidad del Agua (RWQCB) propuso el límite superior de turbidez en 25 NTU por encima del nivel de fondo y limitó el total de sólidos en suspensión (TSS) a 80 mg/1 independientemente del nivel de fondo. El propietario, preocupado de que el equipo de dragado convencional no pudiera cumplir con estos estándares restrictivos, identificó la tecnología de dragado con bomba EDDY como una alternativa que podría cumplir con los estándares ambientales y dragar económicamente grandes volúmenes de sedimentos. (Han-ison, 1995)

La novedosa bomba EDDY es una máquina físicamente sencilla que oculta su avanzado diseño hidrodinámico y sus prestaciones. La bomba consta de un rotor en una voluta con una boquilla de aspiración y una salida de descarga. Las bombas para dragado se construyen con aceros aleados de alta resistencia a la abrasión. Las únicas piezas móviles son el rotor y su eje. La potencia rotativa puede aplicarse mediante motores eléctricos o hidráulicos, o mediante ejes mecánicos de motores diésel o de otro tipo. Las velocidades típicas de funcionamiento oscilan entre 1000 y 2000 RPM. El rotor, situado en el interior de la voluta frente a la boquilla de aspiración, imprime rotación a la columna de agua en la voluta y el tubo de aspiración, creando un vórtice que aspira agua y sólidos de forma muy parecida a como un tornado levanta objetos. El vórtice de alta energía también sirve para aflojar sedimentos u otros sólidos, permitiendo que sean arrastrados por el flujo. Esta característica permite la formación de lodos con concentraciones de sólidos muy elevadas sin necesidad de chorros de agua ni cabezales de corte. El rotor está fuera de la corriente, de modo que la grava e incluso los guijarros pueden pasar fácilmente a través de la bomba y descargarse sin chocar con el rotor. La bomba también pasa fácilmente trapos, vegetación y restos leñosos que atascarían otros tipos de bombas. Las bombas son fabricadas a medida por EDDY Pump Corporation en tamaños (diámetro de descarga) de 0,10 metros a 0,36 metros para una variedad de aplicaciones además del dragado.

La nueva tecnología de la bomba EDDY promete: 1) poca o ninguna turbidez o resuspensión en la succión de la draga, 2) capacidad para dragar hasta la profundidad total de los yacimientos, 3) capacidad para manipular una amplia gama de materiales, desde arcilla hasta guijarros y restos orgánicos, 4) capacidad de transportar sedimentos en forma de lodo de alta densidad, y efluente mínimo que debe tratarse en el lugar de eliminación. Además, la alta densidad de los lodos sugería la viabilidad de depositarlos bajo el agua sin una resuspensión excesiva, con el potencial de ahorrar millones de dólares al propietario del embalse en comparación con la eliminación en vertedero.

Para verificar la viabilidad del dragado de EDDY Pump y la deposición en el depósito, el propietario firmó un acuerdo con «PB-MK Consultants and Engineers», una filial de EDDY Pump Corporation, para realizar un estudio del proyecto. una demostración a escala real de la tecnología en el embalse de Cresta. La demostración preveía dragar unos 7.646 metros cúbicos cerca de la presa y volver a depositarlos en el fondo del embalse 610 metros aguas arriba. Los parámetros medioambientales de turbidez, sólidos en suspensión y oxígeno disuelto debían controlarse además del rendimiento de la draga. La RWQCB impuso las mismas limitaciones restrictivas a la calidad del agua para la demostración que las que había propuesto para el dragado de producción.

Descripción de la draga

Para la demostración, PB-MK diseñó y construyó una nueva e innovadora draga. La draga se construyó en módulos para su transporte en camión hasta el lugar de trabajo como carga sin permiso. Esto era importante para el acceso al embalse de Cresta, ya que varios túneles de carretera restringían los espacios libres. El diseño modular permitió montar la draga de forma eficiente sin tener que volver a soldar los componentes principales. Fue necesaria una grúa para colocar los principales subconjuntos en el agua debido a la inclinación de los taludes y la poca profundidad del agua cerca de la orilla en la zona de movilización, lo que impedía que los conjuntos se deslizaran o rodaran hasta el embalse. Por lo demás, el único equipo grande necesario para la movilización era una carretilla elevadora.

La plataforma principal de la barcaza de dragado que soporta los módulos de cabina de control y potencia, y la plataforma de bombeo de la que se suspendieron la bomba de dragado y el motor de accionamiento. Las dos plataformas estaban unidas por una pluma con una conexión pivotante en la plataforma principal. Una bomba EDDY con descarga de 0,254 metros de diámetro accionada por un motor eléctrico sumergible de 224 kW y velocidad variable era el corazón del sistema. La energía eléctrica principal procedía de un generador diésel de 500 kW. El control de la velocidad de la bomba se consiguió variando la frecuencia de alimentación mediante un variador de frecuencia de estado sólido. En la plataforma principal se instaló una bomba de agua de lavado accionada por gasóleo de 7,6 metros cúbicos/minuto que funcionaba en modo de espera para evitar que se taponara la tubería en caso de avería. Una manguera flexible de descarga de la bomba, de unos 60 metros de longitud, se tendió desde la plataforma de la bomba a través de la pluma y por debajo de la plataforma principal sobre un sistema de rodillos, lo que permitió subir y bajar la bomba según fuera necesario. El equipo se configuró para dragar hasta 30 metros de profundidad. Se utilizaron accionamientos eléctricos para la mayoría de los equipos motorizados para minimizar cualquier posibilidad de derrames de petróleo.

Se montaron un caudalímetro de tipo inducción y un densitómetro nuclear en una pequeña barcaza de instrumentos en el extremo de la manguera de descarga, detrás de la plataforma principal, para controlar el caudal y la densidad. Otros instrumentos incluyeron una cámara de video subacuática para observar el área de succión de dragado, un sonar de barrido lateral, turbidímetros de lectura continua, medidores de demanda de energía e indicadores de posición. Una computadora a bordo asistida con control del sistema calculó la tasa de producción y registró los datos de producción y calidad del agua.

Desde la barcaza de instrumentación hasta la plataforma de descarga se extendió una tubería de polietileno de alta densidad de 0,254 metros de diámetro y 550 metros de longitud con uniones termosoldadas. Los flotadores se amarraron a la tubería a intervalos de 4,5 metros. Al final de la tubería, se diseñó una plataforma flotante para suspender una cortina de sedimentos y sostener un difusor portado dentro de la cortina. Para la distancia de descarga de 610 metros, no se requirieron bombas de refuerzo. Si es necesario para tuberías más largas, una bomba EDDY también podría servir como una bomba de refuerzo eficiente.

Desgraciadamente, el diseño de la cortina de sedimentos de descarga resultó fallido y la cortina se retiró durante la mayor parte de la demostración tras la puesta en marcha inicial. Aun así, la calidad del agua – los parámetros se mantuvieron dentro de los requisitos de la agencia. Los autores creen que un diseño de cortina mejorado podría haber logrado niveles aún más bajos de turbidez y TSS y puede ser necesario para sedimentos de grano más fino que los que se encontraron en el embalse Cresta.

Operación de dragado

En funcionamiento, la plataforma principal se posicionó mediante cabrestantes en cada esquina atados a puntos de anclaje en tierra y a la presa. En aguas abiertas, se utilizarían anclas marinas. Un mando tipo joystick para los molinetes de los cabos de ancla permitía al operador mover la plataforma principal en cualquier dirección.

Mientras la plataforma principal se mantenía fija, la plataforma de bombeo giraba lentamente sobre la articulación de pivote mediante controles de cabrestante a través de un arco de hasta 2,1 radianes (120 grados).

La bomba se elevaba o bajaba hasta la profundidad de dragado mediante cuatro cabrestantes, uno fijado a cada esquina del bastidor de soporte de la bomba. Al variar la longitud de los cables de suspensión de forma independiente, la bomba y la boquilla de succión se inclinaron para optimizar la eficiencia de succión. La capacidad de controlar. la actitud y la ubicación de la boquilla en los tres ejes permitieron dragar el material con una precisión quirúrgica en comparación con otros métodos de dragado. Además, la bomba estaba montada sobre muñones -. en su bastidor de soporte para que pudiera articularse hacia delante y hacia atrás mediante un ariete neumático al mismo tiempo que se balanceaba por el arco para dragar una hilera de 2,4 metros de ancho. Después de cada giro, la draga se reposicionaba para la siguiente pasada.

Se montaron un caudalímetro de tipo inducción y un densitómetro nuclear en una pequeña barcaza de instrumentos en el extremo de la manguera de descarga, detrás de la plataforma principal, para controlar el caudal y la densidad. Otros instrumentos incluyeron una cámara de video subacuática para observar el área de succión de la draga, un sonar de barrido lateral, turbidímetros de lectura continua, medidores de demanda de energía e indicadores de posición. Una computadora a bordo asistida con control del sistema calculó la tasa de producción y registró los datos de producción y calidad del agua.

Desde la barcaza de instrumentación hasta la plataforma de descarga se extendió una tubería de polietileno de alta densidad de 0,254 metros de diámetro y 550 metros de longitud con uniones termosoldadas. Los flotadores se amarraron a la tubería a intervalos de 4,5 metros. Al final de la tubería, se diseñó una plataforma flotante para suspender una cortina de sedimentos y sostener un difusor portado dentro de la cortina. Para la distancia de descarga de 610 metros, no se requirieron bombas de refuerzo. Si es necesario para tuberías más largas, una bomba EDDY también podría servir como una bomba de refuerzo eficiente.

Resultados de la demostración

El rendimiento físico de la draga superó las expectativas. Se mantuvieron densidades de los purines superiores al 70% de sólidos en peso y se alcanzaron picos superiores al 90%. Se observaron tasas de producción sostenidas de más de 230 metros cúbicos por hora. En una prueba de 6,5 horas de duración, se dragaron aproximadamente 1681 metros cúbicos. El material dragado era predominantemente arena media a fina con un D-50 de 0,5 mm. La cámara de vídeo submarina observó cómo se bombeaban por el sistema sin atascarse cantidades de madera flotante hundida y restos orgánicos. En varios casos, se observó que grandes trozos de madera y trozos de hormigón eran aspirados por la bomba y descargados a través de la tubería. Se bordearon profundidades de 15 metros sin problema. No se intentó un dragado más profundo, hasta la capacidad de diseño de 30 metros, porque el volumen de excavación resultante habría excedido el volumen aprobado por el permiso del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. La demostración de dragado se detuvo cuando el volumen acumulado alcanzó los 7.833 metros cúbicos.

CUADRO 1- DATOS DE PRODUCCIÓN DE DRAGADO SELECCIONADOS (PG&E, 1995)

La turbidez, el SST y el oxígeno disuelto (OD) se midieron en la estación de control aguas arriba, cerca de la succión de la draga, en el penacho aguas abajo de la descarga y en la estación de cumplimiento establecida en la toma del túnel de alimentación. En promedio, turbidez alrededor de la entrada de la bomba. superó los niveles de fondo en sólo 1,2 NTU. En ningún momento las concentraciones de turbidez o sólidos en suspensión medidas en la estación de cumplimiento de la estructura de toma se acercaron a los límites establecidos por las agencias. El aumento máximo de turbidez fue de 1,9 NTU y la medición máxima de sólidos en suspensión fue de 9,0 mg/1. Aguas abajo de la plataforma de vertido, la turbidez estaba muy por debajo de los límites especificados para la estación de cumplimiento. El aumento máximo con respecto al ambiente fue de 12 NTU. Las concentraciones de oxígeno disuelto no se vieron afectadas de forma apreciable por el dragado. (Creek, PG&E, 1995)

Actualmente se está construyendo una draga de segunda generación que mejorará el prototipo de draga utilizado para la demostración de Cresta. La portabilidad y la capacidad de movilización rápida son características primordiales del nuevo diseño.

Conclusiones

• El dragado por succión de lodos de la bomba EDDY proporciona un método de dragado ambientalmente superior para cumplir con los estrictos estándares de calidad del agua.
• Muy poca turbidez o resuspensión de sedimentos en el cabezal de succión.
• La bomba EDDY es capaz de alcanzar altos índices de producción. Comparable a dragas de succión convencionales mucho mayores.
• La draga con bomba EDDY es capaz de pasar grandes volúmenes de restos leñosos y otros materiales extraños en los sedimentos sin atascarse.
• La alta densidad de los purines minimiza el volumen de efluentes a tratar y elimina la deposición de sedimentos en las tierras altas.
• La capacidad de esta tecnología para bombear lodos densos a grandes distancias ofrece una alternativa para el transporte de sedimentos a vertederos distantes.
• Una vez resueltos los problemas iniciales de puesta en marcha, el prototipo de draga demostró ser capaz de funcionar de forma fiable y sostenida.
• El vertido de purines de sedimentos en la columna de agua dio lugar a bajos niveles de turbidez y SST, muy por debajo de los límites de las estrictas normas de calidad del agua, sin necesidad de utilizar una cortina de contención de sedimentos.

REFERENCIAS

Creek, Korbin D. y Timothy H. Sagraves, (1995), “Dragado con bomba EDDY: ¿Produce
¿Impactos en la calidad del agua?”, Conferencia ASCE Waterpower ’95, pág. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H. Lee y ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa al dragado de embalses”, ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Servicios Técnicos y Ecológicos de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) «Resultados del monitoreo de la calidad del agua durante la demostración de la bomba EDDY de 1994 en el embalse de Cresta», Informe No. 402.331-95.23. REFERENCIAS

Creek, Korbin D. y Timothy H. Sagraves, (1995), “Dragado con bomba EDDY: ¿Produce
¿Impactos en la calidad del agua?”, Conferencia ASCE Waterpower ’95, pág. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H. Lee y ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa al dragado de embalses”, ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Servicios Técnicos y Ecológicos de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) “Resultados del Monitoreo de la Calidad del Agua Durante la Demostración de la Bomba EDDY de 1994 en el Reservorio Cresta,” Informe No. 402.331-95.23.