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ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VA PACHO LAPALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LASOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO
HIDRULICO
CRISTIAN CAMILO ALVAREZ MORENOGABRIEL ALFONSO CAICEDO ROJASDIEGO ALEJANDRO MORENO BARCO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el ttulo deIngeniero Civil
Director temtico
Ing. Lus Efrn Ayala RojasAsesora metodolgicaMag. Rosa Amparo Ruiz Saray
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ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VA PACHO LAPALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LASOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO
HIDRULICO
CRISTIAN CAMILO ALVAREZ MORENOGABRIEL ALFONSO CAICEDO ROJASDIEGO ALEJANDRO MORENO BARCO
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Nota de aceptacin:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________Firma del presidente de jurado
________________________________Firma del jurado
________________________________
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AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su reconocimiento a:
El Ingeniero LUIS EFREN AYALA ROJAS, asesor temtico del proyecto de
investigacin por toda la colaboracin y apoyo brindado durante el desarrollo
de esta investigacin.
A MARTA LUCIA TOVAR, coordinadora del laboratorio de hidrulica por sucolaboracin y ayuda prestada durante el proceso de investigacin.
A ROSA AMPARO RUIZ SARAY, por su asesora y apoyo, en el desarrollo del
trabajo de investigacin.
A JOS LUIS ROZO ZAMBRANO, Tecnlogo encargado del Laboratorio de
Pavimentos de la Universidad de La Salle, por su colaboracin y asesora en el
desarrollo de los ensayos realizados.
A EDGAR FONSECA, Docente de la Universidad de La Salle, por su asesora
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DEDICATORIA
Al culminar esta etapa acadmica, no puedo ms que agradecer a todas aquellas
personas con quienes he compartido en la Universidad de La Salle, con quienes
he aprendido, crecido y madurado. A mi familia, por su apoyo y confianza
incondicional, porque lo que soy, se lo debo en gran parte a ellos y espero
retribuirles de la mejor manera todo el esfuerzo puesto en m para salir adelante. A
mis amigos de la Universidad, y aunque nombrarlos se haga imposible, espero que
ellos sapan lo importantes que han sido en mi vida, y ojala lo continen siendo. A
Dios, porque sin El, nada de esto seria una realidad.
Para todos ellos, dedico este logro y espero seguir contando con su compaa y
amistad a lo largo de este camino que hasta ahora empieza.
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DEDICATORIA
A mis padres, que con su esfuerzo y dedicacin han colaborado para que esta
meta se haga realidad, que con su apoyo incondicional, concejos, y paciencia me
han formado personal, profesional y moralmente y han hecho de m un hombre de
bien, de principios y de sencillez.
A mi hermana que con su confianza y respeto me a brindado fortalezas para
alcanzar mis propsitos y aspiraciones y se ha convertido en un gran ejemplo para
seguir adelante y no detenerme en el primer obstculo. A Alejandra que de una u
otra forma se ha convertido en el motor de mis aspiraciones.
Finalmente a todos mis amigos con los que aprend a vivir y ver el mundo de otra
forma y que a su vez confiaron en m, me apoyaron y colaboraron para cumplir una
de las tantas metas que me he propuesto.
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DEDICATORIA
Dedicado a mi familia, a mi novia y Universidad
Porque gracias a su cario, gua y apoyo he llegado a realizar uno de los
anhelos ms grandes de la vida, el resultado del inmenso apoyo, amor y
confianza que en m depositaron, los cuales he logrado terminar mis estudios
profesionales, solo deseo que entiendan que el logro mo, es logro de ustedes,
que mi esfuerzo es inspirado en ustedes ahora mas que nunca se acredita mi
cario admiracin y respeto.
Es una gran responsabilidad la que asumo al ser introducido en el mundo de
los Ingenieros Colombianos, de forma justa reconocida y por ello apelo a sucortesa y apoyo.
Mi universidad la que antao, fue colaboradora, durante todos los aos de
permanencia ofreciendo aprendizaje, la promotora de mis conocimientos,
desarrollo de mis habilidades y mi trabajo de grado, los cuales pondr en
practica de hoy en adelante en mi vida profesional y pondr en alto el nombre
de mi Institucin llevada sin duda por su amor a la ciencia y educacin.
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1.
Tabla 2.Tabla 3.Tabla 4.Tabla 5.Tabla 6.Tabla 7.
Factores a tener en cuenta en el anlisis de un ri(modificado de winkley, 1982)Escalas lineales comunes en modelos hidrulicosIdentificacin de variablesResultados obtenidos a caudal medioResultados obtenidos a caudal mximoVelocidades a caudal medioVelocidades a caudal mximo
Pg.
44
4868107109113115
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LISTA DE GRFICAS
Grfica 1. Curva de energa para caudal medioGrfica 2. Curva de energa para caudal mximo
Pg.
111112
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.
Figura 2.Figura 3.Figura 4.Figura 5.
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
Figura 9.Figura 10.Figura 11.Figura 12.Figura 13.Figura 14.
Figura 15.Figura 16.Figura 17.Figura 18.Figura 19.Figura 20.
Representacin esquemtica de las etapas de un ri enreas de montaa tropicalTipos principales de cauceProceso de erosin y sedimentacinClasificacin de los meandrosDistribucin de velocidades en la seccin del cauce deun roVelocidades, corrientes secundarias y fuerzas detraccin sobre el cauceAnaloga de la balanza de Lane
Distribucin de la geometra hidrulica en un cauceaguas abajoLocalizacin rea en estudioCarta preliminar de la zona en estudioSuperficie digitalSecciones transversalesSuperficie digital definitivaVista 3D. modelo hidrulico
Sinuosidad del cauceVista general lneas de flujo P1 a y bVista general lneas de flujo P2 a y bVista general lneas de flujo P3 a y bVista general lneas de flujo P3 a y bVista general lneas de flujo P5 a y b
Pg.
25
26282931
31
35
55
606174747577
9398100102104106
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LISTA DE FOTOGRAFIAS
Fotografa 1.Fotografa 2.Fotografa 3.Fotografa 4.Fotografa 5.Fotografa 6.Fotografa 7.Fotografa 8.Fotografa 9.
Fotografa 10-14.
Fotografa 15-17.Fotografa 18.Fotografa 19.Fotografa 20.Fotografa 21.
Fotografa 22.Fotografa 23.Fotografa 24.Fotografa 25.Fotografa 26.Fotografa 27.Fotografa 28.
Fotografa 29.Fotografa 30.Fotografa 31.Fotografa 32.Fotografa 33.Fotografa 34.
Ro NegroVa Pacho La PalmaCurvatura de la vaObras de arteSocavacinMaterial erosionadoMaterial suelo a. ro NegroMaterial suelo b. ro NegroConstruccin del modelo. Laminas base deicopor
Registro fotogrfico de la construccin delmodelo hidrulico. Acabado de la superficie, parasimular el terreno realDimencionamiento de las estructurasEje del roDetalle eje del roCmara de recirculacin del modelo hidrulicoUbicacin del calibrador para la toma de datos
Toma de datos calibradorToma niveles. Prueba 1Prueba flujo sin estructurasConstruccin primer nivel de gavionesConstruccin segundo nivel de gavionesConstruccin tercer nivel de gavionesToma de niveles, prueba con gavin
Muro en gavin y espigosVista en planta muro en gavin y espigosVista frontal muro en bolsacretoConstruccin muro en bolsacretoMuro en bolsacretos etapa finalMuro en bolsacretos flujo a caudal medio (a)
Pg.
707071717171737378
79
8081818284
84858586868787
888889899090
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Fotografa 44.
Fotografa 45.Fotografa 46.Fotografa 47.Fotografa 48.Fotografa 49.Fotografa 50.Fotografa 51.Fotografa 52.Fotografa 53.Fotografa 54.
Detalle lneas de flujo seccin 3
Lneas de flujo caudal medioLneas de flujo caudal mximoDetalle lneas de flujo sector 3Detalle lneas de flujoDetalle lneas de flujoDetalle lneas de flujo caudalDetalle lneas del sector 2Detalle lneas de flujo sector 2 y 3Detalle lneas de flujo sector 1,2 y 3Detalle lneas de flujo sector 2
98
9999100100102102104104106106
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ANEXOS
Anexo A.Anexo B.Anexo C.Anexo D.Anexo E.Anexo F.Anexo G.Anexo H.
Anexo I.
Anexo J.Anexo K.Anexo L.Anexo M.Anexo N.
Costos de la investigacinPlancha a escala 1:25000, referencia 208 II-CValores medios mensuales de caudales. IDEAMEstudio topogrficoGranulometraDiseo de estructuras hidrulicasDimencionamiento de la estructuraEsquema del sistema de bombeo y circulacin de agua enel modelo hidrulicoPrueba 1 y prueba 1b
Prueba 2 y prueba 2bPrueba 3 y prueba 3bPrueba 4 y prueba 4bPrueba 5 y prueba 5bSecciones modificadas
Pg.
122126128130134144153158
161
164167170173176
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CONTENIDO
INTRODUCCIN1. EL PROBLEMA1.1 LNEA1.2 TTULO1.3 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA1.4 FORMULACIN DEL PROBLEMA1.5 JUSTIFICACIN1.6 OBJETIVOS1.6.1 Objetivo general1.6.2 Objetivos especficos
2. MARCO REFERENCIAL2.1 MARCO TERICO2.2 MARCO CONCEPTUAL2.3 MARCO CONTEXTUAL3. METODOLOGA3.1 DISEO DE INVESTIGACIN3.2 OBJETO DE LA INVESTIGACIN3.3 INSTRUMENTOS
3.4 VARIABLES3.5 HIPTESIS3.6 COSTOS4. TRABAJO INGENIERIL4.1 RECOPILACIN DE INFORMACIN4.1.1. Reconocimiento preliminar de campo4.1.2. Recopilacin de informacin general
4.1.3. Levantamiento topogrfico4.1.4. Caracterizacin del suelo4.2 GEOMETRA DEL MODELO Y SECCIN DE ESCALAS4.2.1. Determinacin de la geometra4.3. CONSTRUCCIN Y CALIBRACIN DEL MODELO4.3.1. Seleccin de los materiales
Pg.
16181819192021222222
2424495965656767
68696970707072
727273737676
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INTRODUCCION
Este proyecto, pretende determinar, por medio de un modelo hidrulico con
distorsin (Escala X 1:100 y Y 1:50), cuales estructuras (gaviones, bolsacretos,
gaviones - espigos y bolsacretos - espigos), se comportan mejor con las
condiciones de geometra y caudal del ro Negro, para evitar que el flujo del ro,
afecte la va Pacho La Palma en el km20+100, la cual ha sido casi arrastrada
por completo por el flujo del ro.
Para conseguir reproducir la geometra de la zona bajo estudio, se realizo un
levantamiento topogrfico, fijndose especficamente en detalles geomtricos del
lecho (Batimetra), bahas de inundacin y la va (Bordes de va y obras de arte
complementarias). De igual manera, se consigui informacin de caudales, por
medio del IDEAM, que cuenta con una estacin de aforo, unos 30km aguas abajo
del punto, para poder tambin simular las condiciones de flujo, a las que se ve
sometido el tramo objeto de estudio.
Posterior al trabajo de recopilacin de informacin topogrfica, se construyo un
modelo digital de la superficie en el programa Autodesk Land y Autodesk Civil
D i l l l i f i fi d l IGAC (Pl h
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Con el modelo terminado, se realizaron ensayos a caudal medio y mximo, para
cada estructura, tomando informacin directa del modelo, de nivel de agua y
caudal, para posteriormente por medio del programa grafico AutoCad, determinar
el rea mojada de cada seccin y completar la informacin necesaria, para
determinar velocidades medias y valores de energa especifica en los diferentes
puntos, y realizar el correspondiente anlisis. Tambin se observaron las lneas de
flujo principales y secundarias del flujo, lo que brindo una idea de cmo es el
comportamiento del flujo, dependiendo el tipo de estructura.
Al finalizar los ensayos, se pudo concluir con cierta certeza, cual de las estructuras
es la ms recomendable, para esas condiciones de geometra y flujo, adems de
otras condiciones tales como disponibilidad de material, facilidad de construccin y
menor costo y tiempo de ejecucin, cumpliendo de esta manera, con los objetivos
propuestos al inicio del proyecto.
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INTRODUCCIN
Este proyecto, pretende determinar, por medio de un modelo hidrulico con
distorsin (Escala X 1:100 y Y 1:50), cuales estructuras (gaviones, bolsacretos,
gaviones - espigos y bolsacretos - espigos), se comportan mejor con las
condiciones de geometra y caudal del ro Negro, para evitar que el flujo del ro,
afecte la va Pacho La Palma en el km20+100, la cual ha sido socavada casi por
completo por el flujo del ro.
Para conseguir reproducir la geometra de la zona bajo estudio, se realizo un
levantamiento topogrfico, fijndose especficamente en detalles geomtricos del
lecho (Batimetra), bahas de inundacin y va (Bordes de va y obras de arte
complementarias). De igual manera, se consigui informacin de caudales, por
medio del IDEAM, que cuenta con una estacin de aforo, unos 30km aguas abajo
del punto, para poder tambin simular las condiciones de flujo, a las que se ve
sometido el tramo objeto de estudio.
Posterior al trabajo de recopilacin de informacin topogrfica, se construyo un
d l di i l d l fi i l A d k L d A d k Ci il
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total). Con el modelo digital listo, se procedi a la impresin y construccin del
modelo hidrulico, con las escalas antes mencionadas.
Con el modelo terminado, se realizaron ensayos a caudal medio y mximo, para
cada estructura, tomando informacin directa del modelo, de nivel de agua y
caudal, para posteriormente por medio del programa grafico AutoCad, establecer
el rea mojada de cada seccin y completar la informacin necesaria, para
determinar velocidades medias y valores de energa especifica en los diferentes
puntos, y realizar el correspondiente anlisis. Tambin se observaron las lneas de
flujo principales y secundarias, lo que brindo una idea de cmo es su
comportamiento, dependiendo el tipo de estructura.
Al finalizar los ensayos, se pudo concluir con cierta certeza, cual de las estructuras
es la ms recomendable, para esas condiciones de geometra y flujo, adems de
otras condiciones tales como disponibilidad de material, facilidad de construccin y
menor costo y tiempo de ejecucin, cumpliendo de esta manera, con los objetivos
propuestos al inicio del proyecto.
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1. EL PROBLEMA
1.1 LNEA
El proyecto de investigacin desarrollado corresponde al GRUPO
INVESTIGATIVO CIROC a la lnea deEventos naturales y materiales de obras
civilessegn lo establecido por Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad de
La Salle.
Teniendo en cuenta el objetivo principal de esta lnea de investigacin, el cual
bsicamente busca Conocer, describir y evaluar los riesgos existentes
dentro de las diferentes reas de ingeniera civil con el propsito de
proponer posibles soluciones o alternativas, que ayuden a la mitigacin o
reduccin de esos peligros, con el fin de evitar vctimas humanas, y
disminuir prdidas econmicas . Este proyecto se ubico dentro de esta lnea,
pues el objetivo fundamental del proyecto, es reducir los daos causados por el
cause del ro Negro, sobre la va que comunica el municipio de Pacho con el
municipio de La Palma, a la altura del Km 20+100, donde se han producido
bl d i l i l ( d d il ) d i d l
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varios tramos de la va, en donde solo funciona un carril, debido a la inestabilidad
o ausencia del otro, generando perdidas econmicas debido al deterioro de la
estructura vial que repercute directamente en la calidad del transporte.
1.2 TTULO
ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VIA PACHO LA
PALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LA
SOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO HIDRULICO.
1.3 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
El sujeto bajo estudio es el sector ubicado en el kilmetro 20+100 de la va
intermunicipal que comunica al Municipio de Pacho con el Municipio de La Palma
en el Departamento de Cundinamarca, cuya estructura esta siendo afectada por el
flujo del Ri Negro, generndose una socavacin tal, que parte de la banca esta
destruida, sus obras de drenaje estn bastantes deterioradas, ya que el problema
radica en la incidencia del cauce sobre la estructura, creando un problema
socioeconmico debido al bajo nivel de servicio de la va, pues su mal estado
i i d d l i d i d l h l
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Teniendo en cuenta el antecedente de obras realizadas (rehabilitacin de la va y
obras de contencin) y observando que no han dado solucin definitiva al
problema que all se presenta, entendiendo que la mejor manera de formular una
solucin es probando diferentes tcnicas de disipacin de energa, dentro de un
modelo fsico a escala en donde se simulen las condiciones reales a la que la
estructura esta expuesta y determinar cual es la mas recomendable.
Debido a la accin de flujo del ro Negro y a la inestabilidad de la zona, que trae
como consecuencia el deterioro de la infraestructura vial, se han realizado
estudios para la implementacin de estructuras de control y disipacin, a lo largo
de esta va, tales como gaviones, muros en concreto, espigos, geotextiles, al igual
que sistemas combinados, sin embargo, estas intervenciones en la mayora de los
casos, no han tenido resultados satisfactorios.
1.4 FORMULACIN DEL PROBLEMA
Que estructura de disipacin y control, es la ms conveniente para contrarrestar
los efectos de socavacin en las estructura vial, teniendo en cuenta caractersticas
de flujo (direccin y velocidad), mediante la utilizacin de un modelo hidrulico con
di i ?
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1.5 JUSTIFICACIN
Este trabajo de investigacin fue directamente enfocado a solucionar un problema
puntual en el kilmetro 20+100 va Pacho-La Palma, donde la corriente del Ri
Negro esta socavando el suelo adyacente a la va, generando problemas de
inestabilidad que con el tiempo destruyen la estructura. Este problema es
simplemente la muestra de uno de los tantos casos que son reincidentes en
nuestro pas, ya que debido a la ausencia de estudios adecuados, que permitan
prevenir o minimizar el dao, al Estado le cuesta miles de millones en prdidas
materiales, perjudicando a campesinos productores, transportadores y
consumidores.
Siguiendo la tendencia de implementar los modelos tanto fsicos como
matemticos para la solucin de problemas especficos, se decidi realizar un
modelo hidrulico con distorsin, que permiti simular las condiciones a las que se
ve sometida la estructura debido a la accin de Ro Negro, donde teniendo en
cuenta las variables que intervienen en el modelo, se propuso una solucin viable
a este problema, permitiendo realizar rehabilitacin de la estructura sin temor de
que vuelva a deteriorarse prematuramente, lo que representa menor inversin en
i j i l d i i d l
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1.6 OBJETIVOS
1.6.1 Objetivo general.
Determinar cual de las estructuras de disipacin de energa, permite controlar la
socavacin en la va Pacho - La Palma a la altura del Km. 20+100, utilizando un
modelo hidrulico a escala.
1.6.2 Objetivos especficos.
Recopilar informacin relacionada (construccin de modelos fsicos, flujo de
agua y socavacin, estudios e informacin existente del ro Negro y va Pacho-
La Palma).
Determinacin de variables que inciden en la realizacin del modelo hidrulico
(variables de frontera, flujo y fluido).
Establecer las diferentes variables que intervienen en el modelo hidrulico.
Determinar la escala ms conveniente para la construccin del modelo. Construir el modelo fsico y estructuras de disipacin a escala.
Ajustar el modelo y equipos a utilizar (calibraciones, pruebas y verificaciones).
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dao de la estructura vial (Gaviones, bolsacretos, gaviones con espigos y
bolsacretos con espigos).
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2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO TERICO
Un ri es un sistema dinmico donde se producen cambios y modificaciones a
mediano y largo plazo como consecuencia de acciones externas debido a que sus
contornos no son fijos (cambios en planta y en superficie).
Se debe hacer nfasis en la geomorfologa del sitio en estudio ya que al interpretar
las diversas formas que se presentan en la superficie terrestre se puede llegar a
establecer la gnesis y caractersticas generales de los suelos. Conocimiento
fundamental para estimar cual puede ser su ms probable comportamiento frente
a procesos de erosin y por tanto, determinar hasta donde podran llegar las orillas
de los ros. De esta manera, se puede definir cual es la zona de divagacin ms
reciente y hasta donde se extiende la llanura aluvial.
A lo largo de una corriente de agua se presentan etapas fcilmente diferenciables
y que se deben identificar para poder evaluar su conducta erosiva.
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En el siguiente esquema se diferencia fundamentalmente las edades de las
corrientes de agua a las cuales se les da una importancia relevante a la etapa de
formacin o niez ya que es bsica en el estudio del proceso erosivo y de
socavacin, La erosin que se produce en esta etapa es de tipo laminar, en surcos
y en crcavas, siendo el rea que mayor aporte de sedimentos hace por concepto
de erosin. Son caractersticos adems pequeos cauces semirrectos con
cambios bruscos de pendiente y direccin, as como cauces en V con fuertes
taludes laterales1.
FIGURA 1. Representacin esquemtica de las etapas de un ro en reas de montaa tropical.2
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forma de la trayectoria que desarrolla el ro en su recorrido. Se pueden diferenciar
tres tipos de trazados los cuales se explican como un equilibrio instantneo entre
las fuerzas que producen erosin y las que la resisten.3Estas formas en planta se
denominan sinuosas, trenzadas y meandricas, las cuales pueden caracterizar una
misma corriente en diferentes sectores de ella, as como tambin pueden estar
determinados por cambios de caudal en diferentes pocas del ao.
FIGURA 2. Tipos principales de cauce.4
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La forma sinuosa es unicanal tiende a ser mas estable, es de anchura regular y
posee un movimiento que hace mas predecible su comportamiento con
coeficientes de sinuosidad inferiores a 1.5 donde no se aprecian curvas en el
cauce, si bien la lnea del thalweg se desplaza alternativamente de una orilla a la
otra hacindose ms visibles en aguas bajas. A pesar de que la corriente trata de
divagar, las pendientes altas y los controles geolgicos y topogrficos condicionan
a mantener un cauce relativamente recto; a ambos lados de la corriente de agua
se producen sedimentaciones en forma de playones y barras5. En general los ros
rara vez son rectos por tramos superiores a unas diez veces la amplitud de su
canal.
Los cauces trenzados van creando islas, son cauces de gran anchura, son
altamente inestables (divagantes), sus brazos son menores y tienen la
caracterstica de transportar grandes cantidades de slidos, bsicamente se
exponen en zonas llanas. Estos son patrones de canales que dan origen a la
geoforma aluvial conocida como llanura aluvial de ri trenzado bsicamente un ri
trenzado es segn Villota Aquel cuyo lecho mayor se divide en varios canales
menores que sucesivamente se bifurcan y renen aguas abajo, separados por
numerosos islotes y playones llamados conjunto barras de cauce6
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Por ultimo se presentan los cauces o canales meandricos los cuales se
caracterizan por una pendiente suave, con transporte de sedimentos finos, el
tamao de los meandros es directamente proporcional al tamao de la corriente, y
la amplitud del cinturn de ellos es equivalente a unas 15 20 veces el ancho
promedio de la corriente que los origina. En los ros meandritos se desarrolla un
proceso de erosin y sedimentacin de manera simultanea en sus propias orillas,
producindose erosin en la externa y sedimentacin en la interna, tenindose un
equilibrio como se muestra en la figura.
FIGURA 3. Procesos de erosin y sedimentacin.7
Por su parte Villota anota que una corriente se mueve en todo meandro en un
patrn de flujo helicoidal con una considerable elevacin de la superficie del agua
contra la orilla externa o cncava determinada por la fuerza centrfuga; de esta
forma, en cada curva se originan dos componentes de la corriente, uno de
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socavacin, desplome y erosin de la parte exterior del meandro y la deposicin
en la parte interior, deposicin que tendr lugar en la orilla interna del siguiente
meandro.8
El tipo de curvas en los meandros puede ser muy diferente de unos ros a otros
pudindose diferenciar en subtipos como los que se representan a continuacin:
FIGURA 4. Clasificacin de los meandros.9
Ahora bien, se hablara de una variable fundamental en los procesos fluviales la
velocidad del agua y la distribucin de la tensin de arrastre asociada a la
distribucin de velocidades dentro del cauce de tal modo que la velocidad del agua
vara en cada punto de la columna de agua, siendo mnima en las proximidades
del permetro del cauce y mxima hacia el centro de la seccin.
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Asociada a una variacin de la velocidad dentro de cada seccin y a una variacin
de esta velocidad aguas abajo, est la presencia de flujos secundarios o
trayectorias helicoidales de las lneas de corriente las cuales tienen un significado
especial en el desarrollo de meandros y en la formacin de rpidos y remansos de
los tramos rectos.
Segn Jaime Surez Daz la velocidad promedio generalmente ocurre a una
profundidad de 0.6D, La velocidad en sentido lateral es de aproximadamente diez
a veinte por ciento de la velocidad en la direccin de la corriente en meandros de
ros maduros y de treinta a cincuenta por ciento en curvas de ros de montaa
(Thorne 1989). Este movimiento arrastra el suelo erosionado, el cual se deposita
ms adelante en las riberas interiores del cauce. En ste proceso se produce un
avance del ro lateralmente y hacia adelante de la curva.10
En el movimiento del agua intervienen dos factores o fuerzas: la gravedad que
acta en la direccin aguas abajo y la friccin que se opone a este movimiento. La
relacin resultante de ambas fuerzas determina la capacidad de la corriente para
erosionar y transportar sedimentos.
L f d f i i d i l i i l d
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siendo proporcional al gradiente de velocidades y equivalente a la componente del
peso del agua paralela a la superficie de desplazamiento.
Experimentalmente se ha comprobado que esta energa hidrulica de la corriente,
en funcin de la magnitud del caudal y de la superficie del cauce, est muy
relacionada con la fuerza que presenta el ro en un determinado momento para
rectificar el trazado o seccin impuestos por la mano del hombre alterndolos o
destruyndolos cuando no responden a su dinmica natural.
FIGURA 5.Distribucin de velocidades en la seccin del cauce de un ri.11
FIGURA 6. Velocidades, corrientes secundarias y fuerzas de traccin sobre el cauce.12
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Las velocidades en un canal no estn uniformemente distribuidas. Esto se explica
por los efectos que la resistencia cortante del fluido en movimiento tiene en
distintos puntos. La figura 6 muestra la distribucin de velocidades en un canal de
seccin rectangular. Las lneas continuas del centro de la figura corresponden a
istacas (curvas de puntos de igual velocidad); las lneas laterales son los perfiles
de velocidad en las correspondientes secciones verticales.
Las siguientes ecuaciones pueden servir para relacionar la velocidad promedio
con la velocidad real en el fondo de la corriente:
Vv = ____________V____________0.68 log10 (y/ks) + .71
Donde:
Y = Profundidad del agua.
ks = Altura de rugosidades del lecho que puede tomarse igual a D50 del material
del lecho.
V = Velocidad promedio de la seccin hidrulica.
Vv(10%)= 0.74 a 0.90 V
Donde:
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De acuerdo a las caractersticas de la velocidad y al nmero de Reynolds y Froude
el flujo puede clasificarse de las siguientes formas:
Uniformidad de la velocidad a lo largo del canal.
Variacin de la velocidad con el tiempo.
Turbulencia.
Estado de velocidad.
En la mayora de las corrientes el flujo es variado, irregular y turbulento. En las
corrientes de montaa el flujo generalmente es rpido y en las zonas semiplanas
el flujo es comnmente tranquilo.
Es necesario definir una clasificacin del tipo de flujo la cual depende del cambio
en la profundidad de flujo con respecto al tiempo y al espacio.
Ven Te Chow hace una clasificacin precisa del tipo de flujo:
Flujo permanente:Se dice que el flujo dentro de un canal abierto es permanente si laprofundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo detiempo en consideracin.
Flujo no permanente: El flujo es no permanente si la profundidad cambia con el
tiempo. Flujo uniforme: El flujo es uniforme si la profundidad de flujo es la misma en cada
seccin del canal este puede ser permanente o no permanente, segn cambie o no laprofundidad con respecto al tiempo.
Flujo variado:El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal,el flujo variado puede ser permanente o no permanente.
Flujo rpidamente variado y gradualmente variado: Se da si la profundidad del agua
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Una caracterstica fundamental de los sistemas abiertos, es su capacidad para
autorregularse, adaptndose a factores externos de forma que mantengan el
estado de equilibrio alcanzando cierta estabilidad. En los cauces fluviales este
equilibrio esta referido a la regulacin de la morfologa y dinmica ante variables
de control o independientes como son el rgimen de caudales y sedimentos. Se
dice que un fondo se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de
sedimentos (en suspensin y por el fondo) cuando no sufre modificacin en su
cota.
El trmino socavacin de un ro se puede referir al descenso del fondo motivado
por un fenmeno de dinmica fluvial, que puede ser natural o inducido por una
actuacin humana, un desequilibrio en el fondo es una posible erosin o
socavacin.
La cuantificacin de dicha erosin y su progresin es muy difcil de prever, pero se
deben aplicar conceptos ms claros sobre un completo equilibrio del sistema y una
herramienta sencilla para entender cualitativamente, aunque con limitaciones, el
fenmeno de equilibrio de fondo es la Balanza de Lane (1955), que propone una
relacin entre cuatro variables:
C d l l id i i
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FIGURA 7.Analoga de la balanza de Lane (1955).14
La balanza permite determinar el comportamiento de un ro si se varan sus
condiciones de equilibrio natural de manera que, una variacin en el peso
(caudales unitarios lquido o slido) o una variacin en el brazo de palanca,
pendiente o tamao de la partcula, conducir a un desequilibrio erosivo o de
sedimentacin. Para cada problema concreto se ha de valorar que parmetros de
la balanza han provocado el desequilibrio y cules se pueden reajustar para
devolver la posicin vertical de equilibrio. Cuando los caudales lquido y slido de
un ro no estn equilibrados se tendr un exceso de transporte de fondo
(sobrealimentacin) o un defecto (subalimentacin), y por eso se producir una
sedimentacin o erosin respectivamente 15
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El problema de socavacin es extremadamente complejo puesto que las
condiciones del flujo en el foso de socavacin, inclusive de turbulencia, son
difciles de evaluar. Adems la interaccin entre los sedimentos y las variables de
flujo no son fciles de cuantificar. Por eso, hasta ahora la prediccin de la
socavacin est principalmente basada en resultados empricos.
Al hablar de socavacin debemos tener en cuenta ciertos parmetros de lo que es
erosin y posteriormente hacer una discrepancia en relacin a estos dos.
Segn Jaime Surez Daz el movimiento del agua que circula por el cauce de una
corriente de agua produce el desprendimiento y transporte de los materiales que
conforman su permetro mojado16. A partir de este enunciado se dice que existen
dos tipos de erosin hidrulica, el primero trata de una erosin lateral en la cual
se amplia su ancho haciendo que la altura de los taludes aumente y el segundo se
dice que es una erosin de profundizacin del cauce, estas dos dependen de la
caracterizacin de los materiales de fondo del lecho, caractersticas del flujo de
agua y de la forma de su cuenca y/o zona de divergencia del cauce.
Existen diversos mecanismos de erosin los cuales incluyen tres procesos
b i
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Transporte de las partculas desprendidas.
Depsito o sedimentacin.
Estas fuerzas que actan o fuerzas tractivas dependen de algunas caractersticas
como la velocidad del flujo que algunas veces se relaciona directamente con la
erosin ocasionando una velocidad critica en la cual se indica el movimiento de las
partculas de suelo, la turbulencia, los caudales, la forma, rugosidad del canal y la
resistencia del suelo a la fuerza tractiva que depende de la estructura y las
interacciones fsicas y qumicas del suelo.17
Ahora bien, se debe diferenciar la socavacin de la erosin no recuperable en el
sentido de que despus de que pase la creciente o se elimine la causa de la
socavacin en procesos posteriores, comnmente se vuelven a depositar
sedimentos en un proceso cclico, y se puede recuperar el nivel del fondo del
cauce18.
Se puede decir que la socavacin esta controlada por las caractersticas
hidrulicas del cauce, las propiedades de los sedimentos del fondo y la forma y
localizacin de los elementos que la inducen. Esta socavacin es generada por el
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de arrastre de material slido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud
de su gran velocidad.
Segn lo describe el autor, se presentan dos formas de socavacin dependiendo
de si existe o no movimiento de sedimentos en el cauce:
Socavacin en lecho mvil: Se presenta cuando hay transporte de sedimentos
desde el lecho aguas arriba hasta el sitio del ponteadero, quedando por lo tanto
parte de este sedimento atrapado en el hueco de socavacin.
Socavacin en lecho fijo o agua clara:Se presenta cuando no hay transporte de
sedimentos desde el lecho aguas arriba, al sitio del ponteadero, por lo cual no hay
reabastecimiento del hueco socavado.19
Al analizar o evaluar la socavacin se tienen presentes cuatro componentes:
Socavacin no recuperable, Socavacin por aumento del caudal, Socavacin por
contraccin del cauce e Inestabilidad geomorfolgica de la corriente.
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Jaime Surez describe claramente estos cuatro componentes:
Socavacin no recuperable:Hace referencia al cambio en el nivel del fondo del caucecon el tiempo, a 10, 50, 100 o 500 aos. El conocimiento de esta degradacin puedepermitir encontrar grandes profundizaciones del cauce durante la vida til de unaestructura.
Socavacin por aumento del caudal:Al aumentar el caudal la velocidad aumenta y seproduce erosin en el fondo de la corriente. Al bajar el nivel esta socavacin se recuperanuevamente por socavacin.
Socavacin por contraccin del cauce: Se genera por la disminucin del ancho delcauce, originando grandes caudales y por ende excesivas velocidades en la contraccin,producindose socavacin del fondo del cauce en el sector contrado.
Inestabilidad geomorfologica de la corri ente:Los niveles del fondo del cauceen sitiosespecficos se modifica necesariamente por la movilidad lateral de la corriente. 20
La erosin del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es
una cuestin de equilibrio entre el aporte slido que pueda traer el agua a una
cierta seccin y el material que sea removido por el agua de esa seccin y al
aumentar la velocidad del agua, aumenta tambin la capacidad de arrastre.
Se entiende por socavacin general el descenso del fondo de un ro que se
produce al presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad de
arrastre de material slido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de
su mayor velocidad.
Habitualmente esta socavacin es una erosin general de todo el cauce y no
depende de que exista o no un puente u otra estructura. la socavacin general
tiene como resultado una disminucin en el nivel del fondo del cauce y en los
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oleoductos y otras estructuras colocadas en el cauce del ro.21
Para controlar esta socavacin producida por el transporte de los materiales del
lecho del ri se realizo un estudio profundo de la disipacin de energa cintica, la
cual se demostrara mas adelante, ya que al paso del agua por el canal o ri se
genera una descarga que contiene gran cantidad de energa y mucho poder
destructivo debido a sus altas presiones y velocidades las cuales causan erosin
y socavacin en el lecho del ri poniendo en peligro las estructuras hidrulicas y
las estructuras mismas de conduccin.
La disipacin de la energa cintica puede lograrse aplicando y colocando
diferentes disipadores de energa.
Para la seleccin del tipo de disipador se debe tener presente las siguientes
consideraciones:
Energa de la corriente.
Economa y mantenimiento ya que ste eleva mucho el costo.
Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc).
Ubicacin de las vas de acceso, casa de mquinas, y dems estructuras
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Efecto de las sub-presiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.
Daos causados a la fauna y la flora por la erosin.
Proyectos y poblaciones aguas abajo.22
Surez Daz presenta algunos sistemas para controlar la socavacin:
Construccin de estructuras para manejar el flujo y disminuir la
profundidad de socavacin, como estructuras de cada o revestimiento de
la zona expuesta a socavacin.
recubrimiento del cauce, en el que podemos utilizar el enrocado el cual
vara en cuanto tamao, forma y masa del diseo.
Constructivos de cimentaciones profundas muy por debajo del nivel de
socavacin esperada.
Construccin de estructuras flexibles que se adapten a la socavacin. Un
ejemplo son los gaviones.23
Ahora bien, muchos de los problemas causados por fenmenos naturales
relacionados con la hidrulica son en ocasiones tan complejos que la utilizacin de
un modelo matemtico no es lo suficientemente precisa como para asegurar que la
solucin propuesta es la apropiada, puesto que en los modelos matemticos se
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entrega resultados inapropiados que hay que interpretar o completar por medio de
tcnicas experimentales.
Es aqu segn narra Miguel A. Vergara donde juega la modelacin hidrulica un
papel importante en la solucin de problemas en materia de control de riego y
drenaje, generacin de energa elctrica, propagacin de oleaje, accin de mareas
y corrientes, movimiento de sedimentos, estructuras de proteccin, embarcaciones
atracadas, erosin y sedimentacin de causes entre otros.24
Estos modelos consisten en el ensayo de una replica del problema a escala
reducida. La replica reducida es lo que llamamos modelo, frente a la realidad que
denominamos prototipo. Segn Martn Vide estos modelos son todava
necesarios porque el calculo es imperfecto debido principalmente a la complejidad
de los fenmenos de turbulencia y a la dificultad que imponen los contornos
reales, tridimensionales y caprichosos (piense en un ri).25
En general las modelaciones, ya sea fsica o matemtica, tiene que definir en
forma clara, cuales son las variables que intervienen y las condiciones de frontera
en las que se encuentra, de tal forma se podr determinar que tipo de modelacin
i li i i li b i d d l i d
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La base de los modelos reducidos es la teora de la semejanza que mas adelante
se hace una descripcin particular. La semejanza dinmica completa entre el
modelo y el prototipo es imposible, cada fuerza presente en el problema se reduce
de una manera diferente (no en la misma proporcin) de prototipo a modelo; sin
embargo segn lo describe Martn Vide el modelo puede ser aun una buena
representacin del movimiento real si una fuerza es tan dominante sobre las
dems (o sea, si representa la casi totalidad de la resultante, igualada a las
fuerzas de inercia) que tambin, pese a la diferente proporcin en que se reducen,
es dominante en el modelo.
La fuerza de gravedad domina los problemas de obras hidrulicas y de ingenieria
fluvial. La ley de semejanza en este caso, llamada semejanza de Froude,
garantiza que esta fuerza en su proporcin con la resultante se reproduce
correctamente en el modelo.26
Las escalas de semejanza ms tiles que se deducen de la semejanza de Froude
son la velocidad y el caudal. Si una fuerza menor (de viscosidad, de tensin
superficial) toma en el modelo una importancia como para alterar el movimiento,
hablamos de un efecto de escala.
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corriente.
TABLA 1.Factores a tener en cuenta en el anlisis de un ri (Modificado de WinKley, 1982).27
FACTOR VARIABLE
TIEMPOHistoria geolgica. Tiempo moderno. Tiempo reciente. Tiempo futuro deanlisis
GEOLOGALitologa. Tectonica. Estructura. Geomorfologa. Meteorizacin.Heterogeneidad geolgica.
SUELOSTipo, gradacin y peso especfico. Distribucin de los diferentes tipos de sueloen la cuenca. permeabilidad-infiltracin. Cohesin y friccin.
HIDROLGICA Lluvias anuales mensuales diarias horarias. Intensidad y duracin de laslluvias. Caudales. Tipo y forma de hidrograma.
COBERTURAVEGETAL
Tipo de vegetacin. % de cobertura vegetal y su distribucin. Practicas decultivos. Modificaciones de la cobertura por accin antropica.
TOPOGRAFA
Topografa, pendiente, morfologa de la cuenca. Perfil longitudinal del ri.Morfologa en planta, tipo del ri (semirrecto, sinuoso, trenzado, meandrico)Sinuosidad, radios de curvatura, ancho de divagacin, distancia entremeandros, distancia entre barras o islas, alineamiento general, seccin, forma,ancho, profundidad, fondo, forma de dunas o barras, rpidos y fosas.
HIDRULICA Pendiente del flujo. Rugosidad del fondo del cauce. Velocidad. Distribucin develocidades. Radio hidrulico. Fuerza tractiva. Resistencia al flujo. Poder de lacorriente.
SEDIMENTOSDisponibilidad y localizacin de sedimentos. Granulometra de la carga defondo, granulometra de partculas en suspensin. Velocidad de cada.Mecnica del transporte.
ALTERACIONES DEORIGEN
ANTRPICO
Sitios, volmenes y procedimientos de explotacin de materiales en el cauce yriberas. Localizacin y caracterizacin de estructuras en ri (puentes, etc.).estructuras de orilla. Canales de riego.
Teniendo claro las variables y factores del anlisis dimensional del modelo y
partiendo de la necesidad de ejecutar trabajos experimentales sobre algn
problema en particular, Miguel A. Vergara nos recomienda planear dichaexperimentacin, en la cual se establecen, ordenan y examinan, en forma
adecuada, todos los aspectos que integran esta actividad para cumplir con los
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es necesario tener en cuenta algunas consideraciones importantes para la
realizacin de un modelo hidrulico:28
Planteamiento de la hiptesis (trabajo a realizar).
Decisin del experimento (recursos econmicos y humanos).
Construccin de las instalaciones (Determinacin de la escala de acuerdo
con las variables establecidas para el estudio).
Realizacin del experimento (Calibracin, pruebas y verificacin).
Anlisis de la informacin (mtodos de procesamiento de la informacin y
anlisis de los resultados).
Conclusiones (dar respuesta a los objetivos originalmente planteados e
indicar si la hiptesis es valida o no).
Informe.
En un fenmeno fsico se identifican el conjunto de variables que intervienen en el,
con un anlisis dimensional de dichas variables se pueden establecer las
relaciones entre las variables, mediante una ecuacin que debe ser
dimensionalmente homognea.
En general las magnitudes fsicas se clasifican en dos grupos: las bsicas o
fundamentales y las derivadas o secundarias. Las del primer grupo son
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velocidad(v), gastos(Q), fuerza(F), o cualquiera otra (x) en funcin de las
primeras.29
Todas las variables conforman tres grupos: el primero lo conforman las que
describen geomtricamente las fronteras, en ellas se describen la rugosidad, el
perfil transversal de la seccin y longitudinal del conducto. El segundo grupo
describe las variables de flujo las cuales hablan de presin, velocidad y
aceleracin debida a la gravedad. Por ultimo se describe las variables de fluido
que relacionan la dinmica, tensin superficial, modulo de elasticidad y densidad.
La similitud completa del sistema a superficie libre modelo prototipo se presenta
al cumplirse las relaciones de las magnitudes fsicas homologas como la dinmica,
cinemtica y geometra. Para lograr la similitud geomtrica se debe tener en
cuenta la escala de longitudes:
EL= Lprototipo/Lmodelo
En cuanto a la similitud cinemtica se necesita que se cumpla con la similitud
geomtrica y las escalas de velocidades y tiempos.
Ev= Vprototipo/Vmodelo ET= Tprototipo/Tmodelo
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- Friccin (Ff). Tensin superficial (Ft) - Gravedad (Fg)
- Inercia (FI) - Coriolis (Fc)
Para lograr la similitud dinmica se debe tener en cuenta que el poligono de
fuerzas que acta sobre el puntos homlogos debe ser geomtricamente similar,
es decir la relacin de fuerzas homologas debe ser un factor constante en todo el
sistema.30
Ff prototipo / Ff modelo = Ft prototipo / Ft modelo = Fg prototipo /Fg modelo = FI prototipo / FI modelo
La determinacin de la escala del modelo, se caracteriza de acuerdo a los
parmetros de fondo, que clasifican el modelo como de fondo fijo (donde los
niveles y parmetros de flujo son determinantes) y de fondo mvil (relacionado con
problemas de estabilizacin de causes).
Partiendo de la informacin recopilada para el estudio pertinente la escala es
escogida basndose principalmente a estos parmetros:
Rugosidad: cuando la rugosidad resulta mnima.
Flujo: cuando este no corresponda al modelo desarrollado (rugoso o
turbulento).
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TABLA 2. Escalas lineales comunes en modelos hidrulicos.31
MODELOS DE: ESCALAS LINEALES OBSERVACIONES
Obras hidrulicas de 1:10 a 1:70 Modelo sin distorsin y de fondo fijo
Penetracin de oleaje de 1:50 a 1:200 Para modelos de fondo fijo con y sin distorsinEstabilidad de estructuras
bajo la accin de olasde 1:20 a 1:80
Modelos de fondo fijo sin distorsin.Recomendable usar oleaje irregular
Maniobras de embarcaciones de 1: 100 a 1:150Modelos sin distorsin de fondo fijo.Recomendable usar oleaje irregular
Transporte litoral de 1:50 a 1:60Modelos de fondo fijo con trazado. Modelos de
fondo mvil. Distorsin recomendable hasta 5Erosin local por oleaje de 1:80 a 1:100 Modelos de fondo mvil sin distorsin
Flujo en ros y canalesEx de 1:250 a 1:1000
Ey de 1:50 a 1:100
Modelos con distorsin de fondo fijo.
Distorsin mxima de 10
Erosin local por corrientes de 1:20 a 1:60 Modelos de fondo mvil sin distorsin
Transporte de sedimentos enros
Ex de 1:100 a 1:500
Ey de 1:50 a 1:100
Modelos de fondo mvil con distorsinrecomendada de 5
EstatutariosEx de 1:200 a 1:2000
Ey de 1:50 a 1:100
Modelos distorsionados con fondo fijo.
Distorsin recomendada de 5 a 10
La construccin del modelo debe realizarse sobre bases slidas donde no exista la
posibilidad de asentamientos que afecten el funcionamiento del mismo, de la
misma manera deben construirse sistemas de desage alrededor del modelo (por
si existen filtraciones de agua) y reabastecimiento apropiados para la practica y
continua operacin del mismo.
Para impedir el fenmeno de socavacin se hace necesario implementar
estructuras de encauzamiento o de proteccin estas obras civiles permiten reducir
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Las obras se pueden definir como eventuales o permanentes, eventuales en el
caso de dragados y permanentes como obras verticales marginales o
longitudinales no agresivas en las que el criterio de diseo es su esbeltez, el suelo
de empotramiento, la cota de control y su valor econmico, en estas se puede
clasificar algunas como los enrocados, pastos gramillas, prefabricados,
bolsacretos, colcha gavin y flexo adoquines. Existen otras obras permanentes
como las estructuras transversales agresivas donde clasifican los espolones o
espigos.
2.2 MARCO CONCEPTUAL
A continuacin se precisa el significado de los trminos ms usados durante el
desarrollo de la investigacin, desde los principios bsicos de disipacin de
energa para controlar la socavacin hasta algunos conceptos indispensables de
modelacin hidrulica y alguna terminologa, de gran ayuda en el avance de la
investigacin.
Modelos hidrulicos: este trmino corresponde a un sistema que simula un
objeto real llamado prototipo, mediante la entrada de las variables que se
procesan y presentan en forma adecuada para emplearse en el diseo y
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Modelacin matemtica:solucin de ecuaciones predeterminadas que describen
el problema, que utiliza una serie de tcnicas desarrolladas por computador,
siendo las mas utilizadas el mtodo elementos finitos y el de diferencia finitas.
La efectividad de este mtodo esta relacionada con los costos de exploracin,
donde intervienen factores como exactitud de los datos iniciales, tipo de fenmeno
a estudiar, exactitud de las ecuaciones que rigen el fenmeno, forma de aproximar
las ecuaciones y evolucin del modelo.
Modelacin anloga:se refiere a la comparacin de dos fenmenos, que aunque
diferentes, las ecuaciones que los describen son idnticas, lo que permite buscar
en un problema de menor dificultad la solucin `para un problema mas complejo,
siendo los mas utilizados: Analoga entre un flujo a travs de medios permeables y
flujo laminar en capas delgadas (modelos de Hele-Shaw), analoga entre flujo
laminar y flujo turbulento, analoga entre un flujo a travs de medios permeables y
la deformacin de una placa elstica bajo carga, analoga elctrica y otros
fenmenos fsicos ( como hidrulicos, mecnicos, etc.).
Modelacin fsica reducida:bsicamente este tipo de modelos debe de cumplir
di i d i ili d i i i di i b
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Modelo con distorsin: Existen por lo menos dos escalas de lneas diferentes,
una para longitudes horizontales (Ex) y otra para longitudes verticales (Ey) en esta
la distorsin geomtrica = Ex/Ey ser siempre mayor que 1, esta distorsin
implica otras distorsiones por ejemplo en las aceleraciones horizontales y
verticales, esta distorsin se origina por la rugosidad, el flujo, razones de espacio y
equipo de medida.
Erosin: proceso en el cual la accin de la fuerza del agua en movimiento que
circula por el cauce de una corriente genera desprendimiento, transporte y
depsitos de materiales del suelo o de la roca que conforman su permetro
mojado, esta erosin es generada tanto por el agua como por el viento.
Socavacin: esta determinada por la profundizacin del nivel del fondo del cauce
de una corriente causada por el aumento del nivel de agua en las crecientes,
modificaciones en la morfologa del cauce o por la construccin de estructuras en
el cauce como puentes, espigones, etc.
La socavacin comprende el aumento de la capacidad de arrastre y levantamiento
de material del lecho del ri, en virtud de su mayor velocidad. Esta controlada por
l i hid li d l l i d d d l di d l
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Socavacin en curvas: cuando un ro describe una curva existe una tendencia en
las franjas lquidas situados ms lejos del centro de curvatura a recorrer ms
aprisa que los situados ms hacia el interior; como consecuencia, la capacidad de
arrastre de slidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la
profundidad de erosin es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en la
interior. El efecto es importante ya que al disminuir la velocidad la curva aumenta
el depsito en esta zona y, por ello, disminuye la zona til para el flujo del agua y
al aumentar la profundidad y el rea hidrulica, aumenta el gasto.
Socavacin local: se debe a una perturbacin del lecho causada por vrtices
originados por alguna singularidad del escurrimiento, tal como la presencia de un
obstculo, el cambio de direccin del flujo, la implantacin de obras en un cauce
aluvial y cambios bruscos de lecho fijo a lecho mvil.
Disipacin de energa: el agua en su recorrido acumula una gran fuerza
energtica, la cual es aprovechada para la realizacin de determinado trabajo til,
otras veces esta energa debe ser atenuada o disminuida para evitar la erosin de
sus medios de conduccin o descarga final. A esos medios destinados a reducir la
energa cintica del agua, se llama disipadores de energa.
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Lecho menor:este se conoce como el ri propiamente dicho, por el cual circulan
las aguas bajas y probablemente medias, ya que en aguas altas despus de
desbordado, circulan por parte del lecho mayor. Se encuentran limitado en las
orillas generalmente por taludes verticales que sufren procesos de socavacin
lateral.
Llanura aluvial: parte orogrfica que contiene un caucey que puede ser inundada
ante una eventual crecidade las aguas de ste. Muchas veces la topografade las
llanuras costaneras de los ros est en forma de conos, llamado cono de
deyeccin, lo que significa que el lecho del ro podra desplazarse con bastante
facilidad, inundando zonas alejadas del lecho principal actual. Dichas zonas
constituyen zonas interesantes para el desarrollo del riego, debido a la topografa
favorable como para desviar agua del ro hacia cualquier punto de su zona aluvial.
Se trata entonces se zonas vulnerables.
Perfil longitudinal del cauce: flujo de las aguas, junto con la geologa
subyacente y el tamao de las partculas de la carga de transporte, determina el
tamao, forma y longitud del cauce. Su perfil longitudinal se denomina gradiente
del cauce (pendiente), cuya expresin grfica es la distancia entre su nacimiento y
l i l d b l b j l i id d d
http://es.wikipedia.org/wiki/Caucehttp://es.wikipedia.org/wiki/Crecidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Topograf%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_%28geometr%C3%ADa%29http://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Riegohttp://es.wikipedia.org/wiki/Zonas_vulnerableshttp://es.wikipedia.org/wiki/Zonas_vulnerableshttp://es.wikipedia.org/wiki/Riegohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_%28geometr%C3%ADa%29http://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADohttp://es.wikipedia.org/wiki/Topograf%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Crecidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauce7/26/2019 Socavacion Tesis
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El perfil longitudinal de un ro, describe la forma en el que ste vara su cota a lo
largo de su longitud y recorrido; de tal modo que el perfil longitudinal reflejar la
pendiente de cada tramo, determinada por las condiciones impuestas por el tramo
aguas arriba. El perfil de un cauce es, por lo general, cncavo y muy pocas veces
llano; est formado habitualmente por segmentos individuales, asociados a la
existencia de niveles de base locales con una pendiente que va disminuyendo
desde zonas con mayor erosin hasta zonas de mayor sedimentacin de las
zonas bajas.
Hay gran cantidad de variables que determinan la pendiente de un cauce, entre
ellas tenemos como ms importantes: el caudal, la carga de sedimentos, tamao
del sedimento, geologa del terreno etc. Generalmente la pendiente del cauce
disminuye a medida que aumenta la superficie de la cuenca vertiente. 34
Geometra hidrulica: este parmetro se refiere comnmente a la seccin
transversal del cauce y su estudio se basa en las relaciones existentes entre el
caudal y la anchura del cauce, la profundidad, la velocidad del agua y la carga de
Sedimentos entre otros.
C d di l hid li d i d l i l
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el caudal, y las que se refieren a las distintas secciones hacia aguas abajo, en
este caso relativas a un determinado caudal generalmente dominante o tambin
llamado Bankfull.35
FIGURA 8.. Distribucin de la geometra hidrulica en un cauce aguas abajo.
Seccin transversal: forma de la seccin transversal de una corriente depende
del sitio del canal, de su geometra en planta, del tipo del canal y de las
caractersticas de los sedimentos. La seccin transversal en una curva es ms
profunda en el lado exterior o cncavo del canal con un talud lateral prcticamente
vertical y es poco profundo en la barra de punto que se forma en el lado convexo o
interior de la curva. En los sectores rectos el canal tiende a ser un poco ms
trapezoidal o rectangular aunque generalmente siempre existe un sitio de mayor
profundidad correspondiente a la localizacin del thalweg.
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parmetros siguientes: rea (A), ancho (w), relacin ancho profundidad (w/d),
profundidad promedio (d), permetro mojado (longitud total del permetro por
debajo del nivel de agua), radio hidrulico (R) (rea/permetro mojado) y
capacidad del canal (AR2/3).
Frontera de fondo fijo: variacin de niveles y las velocidades del flujo son
parmetros determinantes, es el caso de proyectos de control de crecientes, de
navegacin y de irrigacin.
Frontera de fondo mvil: se emplean para estudiar los problemas relacionados
con la estabilizacin de cauces de ros o canales. Se reducen las variables del
flujo combinadas con las de sedimentacin y la mecnica de transporte. 36
Rugosidad: cuando hay necesidad de establecer en el modelo la condicin de
similitud de friccin entre el fluido en movimiento y las fronteras slidas de flujo,
esta cantidad depende del tamao, de la forma y la distribucin de la propia
rugosidad.
Thalweg: lnea central de la corriente en la cual el cauce es ms profundo y el
fl j l id d T d l i l
th l El th l l t ti t d i di d l d l t
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thalweg. El thalweg generalmente tiene una tendencia a divagar de un lado al otro
del cauce y tratar de tomar la lnea exterior del cauce en las curvas.37
Gaviones: recipiente por lo general paraleleppedo, de malla de alambre
galvanizado lleno de cantos de roca. En ros de caudal y pendiente estables se
depositan sedimentos del ri dentro de los poros del gavin y en algunos casos se
forman plantas de crecimiento espontneo que originan la formacin de un bloque
solid que aumenta en forma importante la vida til de los gaviones.
Los muros en gaviones funcionan como muros de gravedad y su diseo sigue la
practica Standard de la ingenieria civil. Se debe tener muy en cuenta el amarre
entre unidades de gaviones para evitar el movimiento de unidades aisladas y
poder garantizar un muro monoltico. Por su flexibilidad los gaviones pueden
deformarse fcilmente al ser sometidos a presiones, diferencindose un poco su
comportamiento de los muros convencionales.38 El muro puede flectarse sin
necesidad de que ocurra su volcamiento o deslizamiento y es comn encontrar
deflexiones hasta el 5% de la altura.
Bolsacretos: generalmente se fabrica utilizando bolsas de geotextil, las cuales se
ll d Al l l b l b d l
Estos Bolsacretos se confeccionan segn dimensiones establecidas (1 m3 2 m3)
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Estos Bolsacretos se confeccionan segn dimensiones establecidas (1 m3 2 m3)
para optimizar su manejo, utilizacin y colocacin en el lugar de trabajo. Los
bolsacretos contienen la masa de mortero o de concreto conformando un
enrocado de gran tamao, adecuado para obras de proteccin de riberas y
estabilizacin de taludes. El tipo de tejido permite la salida del agua de amasado
con facilidad, favoreciendo as el fraguado inicial de la mezcla. Los poros, tiene un
tamao ptimo para retener la pasta de cemento de la mezcla, sin que se presente
prdidas de cemento cuando el agua de amasado sale a travs del bolsacreto.
Los bolsacretos funcionan tambin como estructuras disipadoras de energa y/o
como manejadoras de lneas de corriente, evitando el deterioro en las orillas,
adems del costoso transporte y la colocacin de grandes enrocados.
Espigos: estructuras alargadas relativamente slidas que se colocan para desviar
la corriente de agua o controlar el arrastre de materiales del fondo; para su
construccin pueden ser utilizados diferentes materiales, siendo comunes los
espigones de enrocados de seccin trapezoidal. Son de gran utilidad para
restablecer el ancho normal de un canal o alejar las aguas de una orilla al
promover la sedimentacin del material de arrastre del ro en el lugar donde se
i l
bruscos en la corriente sino dirigir sta suavemente hacia el lugar deseado; y los
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bruscos en la corriente, sino dirigir sta suavemente hacia el lugar deseado; y los
espigones se deben empezar a colocar antes del sitio donde la corriente empieza
a desviarse del cauce deseado. Esta ltima recomendacin es de gran
importancia, ya que si el primer espign se coloca aguas abajo del sitio donde
comienza la socavacin, es probable que la corriente haga un camino por el
extremo de ste y lo destruya39
.
2.3 MARCO CONTEXTUAL
El municipio de Pacho se encuentra al nor-occidente del departamento de
Cundinamarca en la Provincia del Ro Negro del cual es cabecera y a al cual
tambin pertenecen los municipios de La Palma, Yacopi, Caparrap, El Pen,
Paime, Topaipi, Villagomez y San Cayetano.
Para un manejo ms organizado y productivo, el municipio se ha dividido en 6
sectores denominados Unidades de Manejo de Subcuenca (UMSC), una de ellas
la Subcuenca del Ro Veraguas a la que pertenece la vereda de La Hoya, por
donde pasa la va que comunica al municipio de Pacho con el municipio de La
P l ( i i i l d d N i l P i d ) b l l l
La zona en estudio se encuentra ubicada geogrficamente a 5 grados 22 minutos
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La zona en estudio se encuentra ubicada geogrficamente a 5 grados 22 minutos
5 segundos de latitud Norte y 74 grados 18 minutos 74 segundos de longitud
Oeste, altitud media de 2.132 m.40
FIGURA 9. Localizacin rea en estudio.41
FIGURA 10. Carta preliminar de la zona en estudio. 42
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p
En cuanto a los aspectos socioeconmicos, en la zona predomina la actividad
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En cuanto a los aspectos socioeconmicos, en la zona predomina la actividad
agropecuaria por la diversidad climatologa, permitiendo el desarrollo agrcola ypecuario de diferentes productos, la riqueza hdrica a permitido ltimamente
desarrollar la actividad pisccola con tendencia al crecimiento. El 70% de las
actividades agropecuarias son realizadas por pequeos productores minifundistas
(Datos estadsticos de la umata)43
.
Anlisis DOFA municipal: el municipio de Pacho presenta grandes
oportunidades de desarrollo econmico y social, primero que todo su posicin
geogrfica privilegiada como es el hecho de su cercana al Magdalena Medio,
como paso o como salida alterna a esta importante zona del pas y dadas las
posibilidades de desarrollo turstico de Puerto Salgar, el mejoramiento de la Va
Pacho- La Palma en proceso de rehabilitacin y la cercana al mercado mas
grande del pas como la ciudad de Bogota.
Pero estas oportunidades se ven amenazadas por varias circunstancias entre las
que podemos destacar el deterioro de la infraestructura vial, la presencia de fallas
geolgicas que determinan reas de amenazas y riesgos naturales y el mal
manejo de los suelos.
Geologa: se presentan diferentes formaciones del terciario y del cretceo, las
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g p y ,
principales formaciones que se presentan en la zona de estudio son: La formacinLa Cira, se caracteriza por presentar un conjunto laminar arcilloso y superior
arenoso compacto con roca madura, este cubre un 26.10% del ri Negro para un
total de 1635.25 Ha del rea de las subcuencas. La formacin villeta medio, se
caracteriza por limonitas, lutitas y arcillositas grises claras a negras con secuencia
calcrea, se encuentra especialmente en un 39.97% de la subcuenca del ri
negro. Formacin caqueza, se presentan areniscas consolidadas y arcillolitas
corresponde a un total de 19.89% de la subcuenca del ri Negro y por ultimo la
formacin villeta inferior que presenta lutitas y limolitas negras con pirita y sulfuros,
corresponde un 10.67% del ri Negro. 44
Precipitacin: el municipio se halla rodeado por formaciones montaosas, la
distribucin y combinacin de elementos y factores contribuyen a determinar los
tipos de vegetacin, suelos, erosin y los regimenes hidrolgicos. La precipitacin
media anual es de 1670mm y la media mensual es de 116.9mm. Este rgimen
esta influenciado por la zona de convergencia intertropical (ZCIT), la cual sufre
intensificaciones o atenuaciones en su efecto por el factor orografico. La
distribucin temporal de la precipitacin es de tipo bimodal con un ligero descenso
l d F b J i L d ll i i Ab il
prolonga hasta el mes de mayo con un segundo periodo que va de Septiembre a
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Noviembre. El periodo seco va de Diciembre a Marzo y de junio a Agosto.
45
Sistema Natural: El municipio de pacho presenta grandes limitantes en sus
caractersticas biofsicas, especialmente en lo relacionado con los suelos y la
topografa. Algunas de las areas de riesgos o amenazas naturales se encuentran
ubicadas en inmediaciones del casco urbano de pacho. Otras areas con alta
susceptibilidad a los riesgos y amenazas es la subcuenca Q. Honda en la parte
baja del municipio. Las altas pendientes se constituyen en otro factor determinante
y limitante de las actividades antrpicas. La vegetacin nativa ha sido destruida
encontrndose solo relictos de bosque natural secundario, la fauna ha sido
prcticamente destruida.
La dinmica fluvial del ri Negro, tambin representa riesgo y amenaza en
especial por fenmenos de socavacin y erosin lateral, especficamente sobre la
infraestructura vial y algunos sectores poblados. El riesgo ssmico se encuentra en
el rango medio de acuerdo al Mapa de Riesgo Ssmico para Colombia del
INGEOMINAS. En el municipio se identifican varios ecosistemas estratgicos de
importancia local y regional, estos son: Pramo de Guerrero, Cuchilla de Capira,
C hill d El T bl El T bl C d l Ri N 46
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3. METODOLOGA
3.1 DISEO DE LA INVESTIGACION
La presente investigacin fue de tipo experimental. Segn lo describe Sampieri,Carlos Collado y Pilar Lucio:
el tipo de investigacin experimental tiene al menos dos acepciones, una general y otra particular.La general se refiere a tomar una accin y despus observar las consecuencias. La acepcinparticular, ms armnica con un sentido cientfico del trmino, se refiere a un estudio en el que semanipulan intencionalmente una o ms variables independientes (supuestas causas -antecedentes), para analizar las consecuencias que la manipulacin tiene sobre una o masvariables dependientes (supuestos efectos consecuentes), dentro de una situacin de controlpara el investigador. Para ello se debe medir el efecto que la variable independiente tiene en la
variable dependiente y saber que esta ocurriendo realmente con la relacin entre las variables. 47
Las fases en las que se desarroll el presente proyecto se describen a
continuacin.
Fase 1
Bsqueda de informacin relacionada con la construccin de modelos fsicos -
de flujo de agua y socavacin.
Informacin existente de la va Pacho-La Palma perteneciente al municipio de
Pacho Cundinamarca.
Estudios relacionados de la cuenca del ro Negro (nor-occidente de
Mtodos y tcnicas de disipacin de energa hidrulica y estructuras de
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disipacin.
Fase 2
Topografa, toma de secciones Ro Negro.
Se realiz la toma de secciones a 50m antes y despus de la zona de
incidencia del ro Negro sobre la estructura de la va.
Toma de secciones cada 2m en la curva.
Saliendo de la curva ro arriba y abajo, 4 secciones cada 4m.
Saliendo de la curva ro arriba y abajo, 3 secciones cada 10m.
Estudio de caudal y velocidad de flujo
Fase 3
Anlisis y determinacin de la escala de trabajo en el modelo.
Fase 4
Determinacin de materiales de construccin para el modelo.
Fase 5
C i d l d l l d di i i lib i
Fase 6
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Realizacin de pruebas con las diferentes estructuras de disipacin. Gaviones.
Bolsacretos.
Gaviones y espigos combinados.
Bolsacretos y espigos combinados.
Fase 7
Anlisis de resultados y propuesta del sistema de disipacin a implementar.
3.2 OBJETO DE LA INVESTIGACION
El objeto de estudio de la presente investigacin fue la construccin y anlisis de
un modelo fsico a escala cuyo propsito tenia determinar cual de las estructuras
de disipacin de energa analizadas en esta investigacin permite mitigar mejor el
proceso de socavacin en la va Pacho - La Palma a la altura del Km. 20+100.
3.3 INSTRUMENTOS
concluir con ms precisin. Los instrumentos claves en la investigacin y que
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fueron la base de estos anlisis se mencionan a continuacin:
Civil desing
Software autocad 2006 en espaol.
BS. Placer FREE.
Equipo hidrulico (Bombas).
Software Land. Equipo topogrfico.
Microsoft Excel. Formatos toma de datos
(ANEXO I, J, K, L, M)
3.4 VARIABLES
TABLA 3.Identificacin de variables.
CATEGORA DE ANLISIS VARIABLES INDICADORES
Morfologa del cauce enestudio
Caudal
Formas en plantaPerfil
CartografaTopografa
Estudio de estructuras dedisipacin
CaudalTerreno
Diseo de gavionesDiseo de espigosDiseo de bolsacretos
Modelacin hidrulicaEscalasCalibracinEquipo de medicin
DistorsinVelocidadesTiempo
Niveles de aguaDeterminacin de energas.Obras hidrulicasDeterminacin de la energa
3.5 HIPTESIS
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En problemas concretos de socavacin y proyectos de obras fluviales, el modelo
hidrulico reducido, cumple con las necesidades y variables bsicas para suponer
una solucin mucho ms apropiada, ya que se cuenta con semejanzas de
prototipo a modelo de tipo geomtrico, dinmico y cinemtica lo cual refleja que en
verdad es una aplicacin mucho mas acertada para hacer una verdadera
comparacin entre estructuras.
3.6 COSTO DE LA INVESTIGACIN
La relacin de todos los recursos utilizados en esta investigacin se registran en el
anexo A.
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4. TRABAJO INGENIERIL
4.1 RECOPILACIN DE INFORMACIN
4.1.1 Reconocimiento preliminar de campo. Se realizo un reconocimiento visual
de la zona, se tomaron fotografas y se realizo un video del ro Negro, de la va,
obras de arte, vegetacin, asentamientos y otros, con el fin de determinar hasta
donde era conveniente tomar informacin topogrfica y tambin, que tipo de
estructuras funcionaran en el tramo, para la posterior modelacin hidrulica.
FOTOGRAFA 1. Ro Negro. FOTOGRAFA 2. Va Pacho-La Palma.
FOTOGRAFA 3 Curvatura de la va FOTOGRAFA 4 Obras de arte
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FOTOGRAFA 3. Curvatura de la va. FOTOGRAFA 4. Obras de arte.
FOTOGRAFA 5. Socavacin. FOTOGRAFA 6. Material erosionado.
4.1.2 Recopilacin de informacin general. Se recopilo informacin general de
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la zona en la oficina de planeacion del municipio, ubicada en el casco urbano del
mismo, al igual que en la Gobernacin de Cundinamarca, en la ciudad de Bogota
DC. La informacin hacia referencia a caractersticas propias de la regin
(hidrolgica, geologa, geomorfologa), al igual que estudios realizados en
diferentes puntos de la va, donde tambin se presentan problemas de estabilidad,asociados a la influencia del ro Negro, entre otros factores. Tambin se recopilo
informacin cartogrfica del IGAC, plancha a escala 1:25000, referencia 208 II-C
(Anexo B), al igual que informacin hidrolgica del IDEAM, de la estacin de
Charco Largo, municipio del Pen, aproximadamente a unos 30Km aguas abajo
del punto estudiado. (Anexo C).
4.1.3 Levantamiento topogrfico. Para la realizacin del levantamiento
topogrfico se tomo como parmetro determnate, que el nivel del ro Negro no se
encontrara muy alto y as permitir realizar una correcta toma de datos. Durante el
trabajo topogrfico se levantaron puntos de importancia que permitieran
determinar la batimetra de la zona en general, bahas de inundacin, detalles
importantes de la geometra vial (bordes de va, curvas, etc.), obras de arte,
linderos de predios, etc., la cartera de campo se describe en el anexo D.
caracterizacin, donde se encontraron bsicamente rocas de origen aluvial,
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inmerso en una matriz de material arcilloso, posiblemente lutitas. Los resultados
de los ensayos se encuentran en el anexo E.
FOTOGRAFA 7. Material suelo a. Ro Negro. FOTOGRAFA 8. Material suelo b. Ro Negro.
4.2 GEOMETRA DEL MODELO Y SELECCIN DE ESCALAS
4.2.1 Determinacin de la geometra. La informacin obtenida en el
del ro Negro, eje sobre el cual se genero un perfil longitudinal y 20 cortes
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transversales en puntos especficos (Figura 12), desde el punto denominado Km
0+000 hasta el Km 180.56 sobre el eje del ro, puntos de corte que posteriormente
sirvieron de referencia para la toma de datos y manejo de informacin.
FIGURA 11. Superficie Digital. FIGURA 12. Secciones Transversales.
Adems de la informacin topogrfica recopilada en el levantamiento, se
complemento la geometra del modelo, simulando las salidas de las dos curvas
que se encuentran aguas arriba del sector estudiado y de esta forma reproducir
mejor las condiciones de flujo en el modelo (Figura 13).
FIGURA 13. Superficie Digital definitiva. Figura a, vista 3D del modelo y el eje del ro Negro debajo de el.Figura b, vista 3D del modelo en relieve. En la figura c, vista en planta del modelo hidrulico y la ubicacin deleje del ro Negro, al igual que las dos curvas adicionadas para un mejor desarrollo del caudal.
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Con el modelo digital listo, se determinaron las escalas, tanto horizontal (E=1:100),
como vertical (E=1:50), teniendo en cuenta factores relacionados con espacio,
operacin y costos de construccin del modelo hidrulico.
4.3 CONTRUCCIN Y CALIBRACIN DEL MODELO
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4.3.1 Seleccin de los materiales. Un par de mesas de madera con bordes a
12cm sobre la superficie libre, como soporte del modelo, a una altura de 70cm del
suelo para facilitar la toma de datos en las pruebas.
Para facilitar la construccin del modelo y conseguir el relieve de la zona en
estudio, se escogieron lminas de icopor de 1cm de espesor, como material
de base.
Arcilla como material para enrazar las curvas de nivel y darles el acabado
natural.
Estuco acrlico como primera capa impermeable.
PVA, silicona, o cualquier material que evite el paso del agua y no se pierda
con facilidad al paso constante del agua.
Silicona liquida.
Plstico.
Plastilina.
4.3.2 Construccin del modelo. Con la informacin digital ya terminada, se
determinar los espacios de trabajo y realizar ajustes; el segundo, facilitar el corte
de las lminas de icopor
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de las lminas de icopor.
La construccin de las mesas de madera se realizo fuera de las instalaciones de la
Universidad de La Salle, pero el ensamble de estas, si se realizo en la Universidad
dentro del laboratorio de hidrulica.
FIGURA 14. Vista final 3D. Modelo Hidrulico.
Ya ensambladas las mesas, se procedi a cubrirlas con plstico, para evitar que,
ante una posible filtracin la madera se hubiese podrido o pandeado y as
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ante una posible filtracin, la madera se hubiese podrido o pandeado y as
comprometer el correcto desarrollo de los ensayos.
Con el plstico ubicado, se procedi a colocar las lminas de icopor en su sitio
sobre la mesa base, utilizando silicona liquida para adherirlas y mantenerlas fijascon respecto a la mesa base (Fotografa 9).
Fotografa 9.Construccin del modelo. Laminas base de icopor.
Posteriormente, se enrazo la superficie y se le dio la forma natural, rellenando los
espacios entre curvas de nivel, con una delgada capa de arcilla (Fotografas 10 a
14).
FOTOGRAFA 10. FOTOGRAFA 11.
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FOTOGRAFA 12. FOTOGRAFA 13.
FOTOGRAFA 14
FOTOGRAFAS 10 A 14. Registro fotogrficoconstruccin del modelo hidrulico. Acabado de lasuperficie, para simular el terreno real.
Luego de conseguir la superficie deseada, se aplico estuco acrlico sobre la arcilla
y finalmente una capa de silicona, para garantizar, que el caudal que ingrese, no
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y p , p g , q q g ,
se pierda por filtraciones afectando los ensayos y tambin la mesa de base del
modelo hidrulico.
La construccin de las estructuras ensayadas en el modelo, se realizo teniendo
en cuenta criterios bsicos de diseo para cada una de estructuras. Estos criterios
se relacionan en el anexo F.
Luego, teniendo en cuenta el diseo de cada grupo de estructuras, se
determinaron sus dimensiones escaladas (teniendo en cuenta que el modelo es
con distorsin), se construyeron estas con base en esas dimensiones, para luego
ser ubicadas en su momento, dentro del modelo (Fotografas 15 a 17). El calculo
detallado del dimencionamiento de las estructuras escaladas, se encuentra en el
anexo G.
FOTOGRAFA 15. Gavin a escala FOTOGRAFA 16. Bolsacreto a escala
FOTOGRAFA 17. Espigos a escala.
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4.3.3 Calibracin del modelo hidrulico.
Luego de terminar la superficie del modelo hidrulico y cumplir con la similitud
geomtrica para los ensayos, se colocaron chinches sobre el cauce, los cuales
determina el eje del ro, eje ya establecido en el modelo digital (Fotografa 18 y
19). Posteriormente, se procedi a realizar el ajuste de las bombas de laboratorio,
compra de accesorios, tales como mangueras y acoples especiales, al igual que
limpieza de sus aspas y pruebas de caudal. En el anexo 8 se encuentra un
esquema del sistema de bombeo y circulacin de agua en el modelo hidrulico.
Fotografa 18. Eje del ro.
Fotografa 19. Detalle eje del ro.
AL realizar las pruebas de gasto se determino que el caudal de entrega de cada
una de las bombas, una convencional de laboratorio y otra sumergible, era de 1lps
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Y 1.5 lps respectivamente, siendo en un principio ideal para alcanzar los caudales
correspondientes, al caudal mximo (1.8 lps aprox.) y caudal medio (0.56 lps
aprox.) a escala, pero por problemas tcnicos ajenos al proyecto, solo se alcanzo
un caudal mximo de 1.6 lps, que corresponde al 88.8% del caudal mximo
deseado, sin embargo, este valor de caudal, es representativo, por lo que no hubo
mayor problema en cambiar el valor mximo y aun as encontrar resultados
satisfactorios.
FOTOGRAFA 20. Cmara de recirculacin del modelo hidrulico.
4.4 ENSAYOS DE LABORATORIO
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4.4.1 Metodologa para la recopilacin de informacin. Teniendo en cuenta las
condiciones geomtricas, de flujo del ro Negro y un anlisis primario de suelos del
sector, se realizaron ensayos con cada una de las estructuras con caudal mximo
y medio, correspondientes a 1.6 lps y 0.56 lps respectivamente, para as, recopilar
informacin suficiente y de esta manera poder comparar los resultados obtenidos
con flujo sin estructuras, gaviones, gaviones-espigos combinados, bolsacretos y
bolsacretos-espigos combinados.
La metodologa utilizada para le recopilacin de informacin, fue la siguiente:
a. Aforo de caudal por medio del mtodo volumtrico. Primero se calibro el
caudal hasta alcanzar el caudal esperado (mximo o medio). Luego se
aforo 5 veces para determinar la continuidad de flujo y asegurar que se
mantena el mismo flujo en el modelo hidrulico.
b. Posteriormente se realizo la toma de datos de niveles de agua en cada uno
de los puntos establecidos sobre el eje del ro Negro en el modelo
hidrulico, por medio de un calibrador (Fotografa 21 y 22).
c. Se tomo la temperatura del agua sobre el modelo.
d Fi l f d 5 d l d l
Con la informacin de niveles, en cada seccin, se grafico el nivel de agua en el
programa AutoCad y por medio de este, se determino el rea mojada, en cada una
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de ellas, con las diferentes condiciones de flujo. Luego, ya conociendo el rea y el
caudal que circula por el modelo hidrulico para cada tramo, se introdujo la
informacin obtenida en una hoja de clculo, donde se determino la velocidad en
cada seccin, para posteriormente, graficar la lnea de energa a lo largo del eje,
con cada estructura, con flujo a caudal mximo y medio.
FOTOGRAFA 21. Ubicacin del calibrador para latoma de datos.
FOTOGRAFA 22. Toma de datos del calibrador
4.4.2 Ensayos de flujo
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En el ensayo a caudal medio (Prueba 1a) y caudal mximo (Prueba 1b), sin
estructuras, se determinaron velocidades de flujo en cada seccin, utilizando la
metodologa anteriormente mencionada. Los datos obtenidos del modelo y del
programa grafico AutoCad, se encuentran en el anexo I.
FOTOGRAFA 23.Toma de niveles. Prueba 1a
FOTOGRAFA 24. Prueba flujo sin estructuras
estructuras, debido a la necesidad de darle una superficie estable a la estructura,
tratando de representar al mximo, las condiciones geomtricas finales en campo.
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El detalle de las secciones modificadas se encuentra en el anexo N. Los
resultados de los ensayos a caudal medio y mximo, al igual que detalles de las
nuevas secciones, se encuentran en el anexo J.
FOTOGRAFA 25. Construccin primer nivel de gaviones
FOTOGRAFA 26.Construccin segundo nivel de gaviones
FOTOGRAFA 27. Construccin tercer nivel de gaviones
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FOTOGRAFA 28.Toma de niveles. Prueba con gavin
En los ensayos con espigos, tambin se modificaron las secciones, sin embargo, a
pesar estar los espigos ubicados dentro del cause activo del ro Negro, no hubo
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necesidad de corregir ninguna seccin