UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL -...
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i UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” EVALUACION HIDRÁULICA DE LA PROPUESTA DE RECONSTRUCCIÓN DEL PUENTE SOBRE LA QUEBRADA LA GUARDIA, UBICADO EN LA VÍA TRONCAL 7, MUNICIPIO JIMÉNEZ DEL ESTADO LARA, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS GUILLERMO DEFÍN MARÍA VICTORIA PÉREZ Barquisimeto, 2014
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i
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL
“LISANDRO ALVARADO”
EVALUACION HIDRÁULICA DE LA PROPUESTA DE
RECONSTRUCCIÓN DEL PUENTE SOBRE LA QUEBRADA LA GUARDIA,
UBICADO EN LA VÍA TRONCAL 7, MUNICIPIO JIMÉNEZ DEL ESTADO
LARA, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS
GUILLERMO DEFÍN
MARÍA VICTORIA PÉREZ
Barquisimeto, 2014
ii
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL
“LISANDRO ALVARADO”
DECANATO DE INGENIERIA CIVIL
EVALUACION HIDRÁULICA DE LA PROPUESTA DE
RECONSTRUCCIÓN DEL PUENTE SOBRE LA QUEBRADA LA GUARDIA,
UBICADO EN LA VÍA TRONCAL 7, MUNICIPIO JIMÉNEZ DEL ESTADO
LARA, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad Centroccidental Lisandro
Alvarado como requisito final para optar al título de Ingeniero Civil
Por:
GUILLERMO DELFÍN
MARÍA VICTORIA PÉREZ
TUTOR:
JEAN CARLOS RINCÓN
Barquisimeto, 2014
iii
AGRADECIMIENTOS
Primeramente gracias a Dios por haber sido el guía y soporte para llevar a
cabo esta gran tarea.
Gracias a mis padres Nancy Echeverría y Larry Delfín por ser mis
guardianes, protectores y guías durante toda mi vida. Soy lo que soy gracias a
ustedes.
Gracias a la Universidad Centrooccidental Lisandro Alvarado por haberme
formado como profesional bajo el lema: “Luz y Verdad”. Por siempre Uclaísta.
Gracias al Profesor Jean Carlos Rincón por habernos brindado la
oportunidad y apoyo para llevar a cabo este gran trabajo. Gracias por compartir
sus amplios conocimientos con nosotros.
A María Victoria, cerebro principal en la elaboración de esta obra. Mente
maestra y brillante. Tus capacidades y talentos son admirables, llegarás muy lejos.
Mis agradecimientos serán eternos.
A la Dra. Solferina Unda, sus conocimientos y experiencia fueron
enriquecedores. Gracias por tal aporte.
Y a todos los demás familiares y amigos que de alguna manera estuvieron
presentes durante todo el camino para lograr con éxito esta meta. Gracias.
Guillermo Alejandro Delfín
iv
A Dios Todopoderoso, por hacer esto posible todo te lo debo a ti Mí Dios,
tus bendiciones me acompañan siempre, todo lo que soy es por ti y para ti
A mi madre, Solferina Unda por ser un ejemplo a seguir, por su ayuda en
todo momento y por sus acertadas y oportunas orientaciones.
A mi padre, Reinaldo Pérez, por su motivación y apoyo, por no dudar
nunca que podría alcanzar esta meta.
Al Ing. Jean Carlos Rincón, por compartir sus conocimientos, por buscar la
excelencia en la investigación y por cada una de las enseñanzas que me dejó a lo
largo del desarrollo de este trabajo.
A los jurados y al evaluador, porque sus sugerencias y comentarios fueron
un gran aporte en la investigación.
A Adrián Lucena, por su compañía y apoyo, por toda la ayuda prestada
para poder entregar con éxito este trabajo de grado, por su paciencia y
comprensión.
A Geraldine Unda y Andrés Alvarado, porque siempre estuvieron a mi
lado, sus oraciones siempre me acompañaron y cada palabra en momentos de
flaqueza me animaba a continuar.
A Yessica Márquez, por sus valiosas palabras que me ayudaron a seguir
adelante porque cada oración trajo consigo muchas Bendiciones.
A Leyla García, por apoyarme siempre, por cuidar cada detalle de la
defensa de tesis, por su colaboración y oración.
A mi familia y amigos, que de alguna manera contribuyeron con este
logro. Gracias por su apoyo y compañía.
María Victoria Pérez Unda
v
INDICE GENERAL
Pág.
AGRADECIMIENTOS……………………………………………………… iii
INDICE GENERAL…………………………………………………….…… v
LISTA DE FIGURAS…..…..……………..………………………………... ix
LISTA DE TABLAS..………………………………………...……………. xii
RESUMEN…......………………………………………………………...... xiv
INTRODUCCION…………………………………………………………… 1
CAPITULO
I. EL PROBLEMA……………………………………………………… 3
1.1. Planteamiento del Problema………………………….. 3
1.2. Objetivos de la Investigación………………………….. 6
1.2.1. Objetivo General………………………………... 6
1.2.2. Objetivos Específicos…………………………… 6
1.3. Justificación……………………………………………. 7
1.4. Alcances y Limitaciones……………………………….. 8
II. MARCO TEORICO…………………………………………………….. 9
2.1. Antecedentes Relacionados con la Investigación………. 9
2.2. Bases Teóricas………………………………………….. 13
2.2.1. Hidráulica y Morfología Fluvial………………... 13
2.2.2. Hidrología………………………………………… 14
2.2.2.1 Modelo HEC-HMS……………………… 14
2.2.3. Modelos Hidráulicos……………………………… 15
vi
2.2.3.1. Hydrologic Engineering Centers River Analysis
System……………………………………………………………………… 17
2.2.3.1.1. Características del modelo…… 17
2.2.3.2. Modelización Bidimensional del Fluido en
Lamina libre en aguas poco profundas (IBER)……………………………… 21
2.2.4. Sistemas de Información Geográfica
(SIG)…………………………………………………………………………. 23
2.2.4.1. ArcGIS – ArcMAP……………………… 23
2.2.4.2. Hydrologic Engineering Centers River Analysis
System - Geology (HEC-GEOAS)…………………………….…………….. 24
III. MARCO METODOLÓGICO…………………………………………… 25
3.1. Tipo de Investigación…………………………………….. 25
3.2. Características Generales………………………………… 26
3.2.1. Situación Geográfica…………………………….... 26
3.2.2. Características Fisiográficas………………………. 27
3.2.3. Puente sobre la quebrada La Guardia……………… 28
3.3. Procedimiento para la modelación Hidráulica………………. 30
3.3.1. Hidrología………………………………………….. 30
3.3.2. Modelación en HEC-HMS (THE HYDROLOGYC
MODELING SYSTEM)………………………………………………… 31
3.3.2.1. Modelo de la Cuenca……………………... 32
3.3.2.2. Modelo Meteorológico…………………… 33
3.3.2.3. Especificaciones de Control (Control
Specifications)……………………………………………………………… 44
3.3.2.4. Datos de Entrada……………………….. 44
3.3.2.4.1. Curva Número………………… 45
3.3.2.4.2. Transito por el Cauce…………. 48
3.3.3. Metodología de la Modelación Hidráulica……….. 51
vii
3.3.3.1. Modelo Digital de Elevación en
ArcGIS………………………………………………………………………. 51
3.3.3.1.1. Modelación de HEC-RAS……… 57
3.3.3.1.2. Datos Geométricos……………… 57
3.3.3.1.3. Datos Hidráulicos………………. 57
3.3.3.1.4. Datos del Puente………………… 59
3.3.3.1.5. Simulación del Modelo…………. 62
3.3.3.2. Modelación IBER………………………… 62
3.3.3.2.1. Datos Geométricos……………… 62
3.3.3.2.2. Datos Hidrodinámicos…………… 66
3.3.3.2.3. Datos de la Corrida……………… 73
IV. ANALISIS DE RESULTADOS…………………………………………. 75
4.1. Resultados de la Modelación HECRAS…………………… 75
4.1.1. Sección 0.34924 (Ultima Sección aguas
abajo)…………………..…… 75
4.1.2. Secciones 77.68709 y 122.7889……………………. 80
4.1.3. Cotas de Agua. ……………………………………… 81
4.1.4. Velocidades………………………………………… 83
4.1.5. Número de Froude…………………………………… 85
4.2. Resultados de Modelación IBER………………………….. 90
4.2.1. Cota de Agua……………………………………….... 97
4.2.2. Velocidades…………….…………………………. 100
4.2.3. Número de Froude……………………………………102
4.3. Comparación entre los Modelos HEC-RAS e
IBER……………………………………………………………………………106
4.3.1. Comparación de resultados………………………… 108
4.3.1.1. Cota de Agua…………………………….. 108
4.3.1.2. Velocidades……………………………… 112
viii
4.3.1.3 Número de Froude……………………….. 117
4.3.2. Comparación de Tiempo de Simulación………….. 114
4.3.3. Comparación Manchas de Inundación……………. 115
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………… 117
5.1. Conclusiones…………………………………………….… 117
5.2. Recomendaciones………………………………………… 120
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………… 121
ANEXOS……………………………………………………………………… 123
ix
LISTA DE FIGURAS
P.P
1 Tipos de flujo en la zona de un puente. Hydrologic Engineering
Centers River Analysis System (HEC-RAS)
20
2 Ubicación Geográfica del Municipio Jiménez 26
3 Digitalización en AutoCAD de la Hoja Cartográfica 27
4 Quebrada La Guardia 28
5 Puente La Guardia 29
6 Obra de protección aguas abajo del puente 30
7 Digitalización de la cuenca en el modelo HEC-HMS 33
8 Representación gráfica de la Media Y Desviación Estándar para
la estación Tormenta Cubiro
37
9 Representación gráfica de la curva de Precipitación Duración
Frecuencia de la estación tormenta Cubiro
40
10 Gráfica de las curvas Intensidad-Duración-frecuencia (IDF) 41
11 Hietograma estación Cubiro con un Tr=100 años 44
12 Hidrograma a la salida para un Tr=50 años 49
13 Hidrograma a la salida para un Tr=100 años 50
14 Representación del Modelo Digital de Elevación 53
15 Importe del alineamiento del cauce, los bancos y las secciones
transversales
54
16 Digitalización de las Capas en el MDE 54
17 Asignación del coeficiente de Manning al modelo digital 56
18 Modelo digital del puente en reconstrucción en Hec-RAS 60
19 Modelo digital del puente en funcionamiento en Hec-RAS 60
20 Ubicación de las secciones transversales en las cercanías de un
puente
61
x
21 Ingreso de áreas inefectivas del puente 62
22 Modelo TIN Triangle generado 63
23 Modelo TIN Triangle generado en Iber 63
24 Superficies seleccionadas para el colapso de la geometría 64
25 Raster generado 65
26 Superficie triangulada en formato RTIN 66
27 Asignación de las condiciones de contorno en la entrada 68
28 Asignación de condición de flujo Supercrítico/Crítico 69
29 Asignación de condición de flujo Subcrítico para un nivel de
agua constante
69
30 Asignación de calado de cero (0) metros a toda la superficie 70
31 Asignación del coeficiente de Manning a utilizar en la superficie 71
32 Malla estructura. Proveniente de TIN Triangle 72
33 Malla no estructurada generada 73
34 Parámetros de tiempo a considerar para la simulación 74
35 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .) 77
36 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .) 77
37 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( ) 78
38 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( ) 78
39 Sección Aguas Arriba Puente en Funcionamiento (227.65) 82
40 Sección Aguas Abajo Puente en Funcionamiento (227.65) 82
41 Sección Aguas Arriba Puente en Construcción (172) 83
42 Sección Aguas Abajo Puente en Construcción (172) 83
43 Gráfico Velocidades Vs Distancia Longitudinal 85
44 Vista en planta Secciones Transversales con Flujo Supercrítico 86
45 Número de Froude en función de la distancia longitudinal 87
46 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( ) 93
47 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .) 93
xi
48 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( ) 94
49 Perfil Longitudinal de la Quebrada ( ) 94
50 Áreas Coloreadas de la Variación del nivel del agua en las
secciones aguas debajo de la Quebrada(a,b,c)
95
51 Variaciones del Nivel del Agua en función de la distancia, en las
primeras secciones aguas debajo de la Quebrada. TR=50años
96
52 Áreas sombreadas según la Profundidad de Agua TR=50 98
53 Áreas sombreadas según la Profundidad de Agua TR=100 99
54 Áreas Coloreadas representando Velocidades TR= 50 101
55 Áreas Coloreadas representando Velocidades TR= 100 102
56 Áreas Coloreadas representando al número de Froude TR=50 104
57 Áreas Coloreadas representando al número de Froude TR=100 105
58 Secciones seleccionadas para la comparación entre el Modelo
HecRAS e IBER
107
59 Sección Transversal 392.9394, obtenida mediante el Modelo
HecRAS. TR=50años
109
60 Sección Transversal 392.9394, obtenida mediante el Modelo
IBER.TR=50 años
110
61 Sección Transversal 579.0168, obtenida mediante el Modelo
IBER.TR=50 años
111
62 Sección Transversal 579.0168, obtenida mediante el Modelo
HECRAS. TR=50años
111
63 Manchas de Inundación obtenidas en Iber y HecRAS 116
xii
LISTA DE TABLAS
P.P
1 Estaciones seleccionadas para la estimación de las precipitaciones
medias anuales y mensuales.
31
2 Criterios de diseño generalizados para estructura de control de agua 36
3 Valores corregidos de Media y Desviación Estándar para las
diferentes duraciones de lluvia.
37
4 Gumbel. 39
5 Valores de Yn y Sn para 18 números de datos. 39
6 Tiempo de concentración y Lag-time por cada subcuenca. 42
7 Datos para el hietograma para la estación Cubiro con Tr=100 años. 43
8 Clasificación de clases de antecedentes de humedad (AMC) para el
Método de abstracciones de lluvia Del (SCS).
45
9 Clasificación del tipo de suelo. 46
10 Curva Número en función del Grupo Hidrológico del Suelo. 47
11 Valores de áreas y CN por cada subcuenca. 47
12 Tabla de valores de Velocidad, K, X y CN utilizados como
parámetros para la aplicación del método de Muskingum.
48
13 Caudales picos asociados a los diferentes períodos de retorno. 50
14 Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad Manning. 55
15 Cuadro resumen de las condiciones de contorno disponible en Iber. 67
16 Comparación Cota de agua para diferentes pendientes. 80
17 Resultados del perfil longitudinal. Periodo de retorno 50años. 88
18 Resultados del perfil longitudinal. Periodo de retorno 100años. 89
19 Cuadro Comparativo niveles de agua, entre HecRAS e
IBER.TR=50años
108
20 Cuadro Comparativo niveles de agua, entre HecRAS e 113
xiii
IBER.TR=100años
21 Cuadro Comparativo velocidades, entre HecRAS e IBER.
TR=50años
112
22 Cuadro Comparativo velocidades, entre HecRAS e IBER.
TR=100años
113
23 Cuadro Comparativo número de Froude, entre HecRAS e IBER.
TR=50años
114
24 Cuadro Comparativo número de Froude, entre HecRAS e IBER.
TR=100años
114
xiv
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL " LISANDRO ALVARADO"
DECANATO DE INGENIERÍA CIVIL
EVALUACION HIDRÁULICA DE LA PROPUESTA DE
RECONSTRUCCIÓN DEL PUENTE SOBRE LA QUEBRADA LA GUARDIA,
UBICADO EN LA VÍA TRONCAL 7, MUNICIPIO JIMÉNEZ DEL ESTADO
LARA, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS.
Autor(a): Guillermo Delfín
Autor(a): María Victoria Pérez
Tutor: Jean Carlos Rincón
RESUMEN
El presente trabajo tuvo como propósito fundamental evaluar hidráulicamente la
propuesta de reconstrucción del puente sobre la quebrada La Guardia, ubicado en el
sector el Rodeo-Quíbor, Municipio Jiménez del estado Lara. La investigación se
realizó mediante la utilización de modelos matemáticos los cuales representaron las
condiciones necesarias para simular el comportamiento de la estructura situada sobre
el cauce del río. El estudio realizado se basó en una investigación de carácter
descriptivo y documental donde se realizó la simulación del modelo unidimensional
(HEC-RAS) y bidimensional (IBER) con los cuales se pudo obtener el
comportamiento hidráulico. Finalmente se obtuvieron resultados de cada una de
modelaciones, las cuales fueron analizadas y comparadas para concluir que el
comportamiento del flujo a lo largo del cauce fue de tipo mixto, presentándose
cambios de regímenes de tipo supercrítico en la zona de protección aguas abajo del
puente, compuesta por unos escalones de concreto los cuales cumplen la función de
disipar la energía cuando el río entra en operación.
Palabras Claves: Modelación hidráulica, Puente, Régimen de flujo, HEC-RAS,
IBER.
1
INTRODUCCIÓN
Las oportunidades de interacción y cruce entre las obras civiles y la red
hidrográfica son muy numerosas. Muchas estructuras de transporte como autopistas,
carreteras y ferrocarriles, han de cruzar los cursos de agua por medio de puentes. Los
puentes son obras singulares, costosas y vitales para mantener el transporte. A
menudo es el punto estratégico de una vía de comunicación, en este caso es la vía que
comunica Barquisimeto y Quibor. De esta manera, los aspectos hidráulicos son
fundamentales y de gran transcendencia al momento de una modelación a través de
los distintos paquetes informáticos existentes. Un buen conocimiento y manejo de
estos aspectos hará al puente más seguro, funcional y económico.
En virtud de lo antes citado, nace la inquietud de investigar el comportamiento
hidráulico del puente sobre La Quebrada La Guardia a través de modelos
unidimensionales (HEC-RAS) y bidimensionales (IBER), a fin de conocer las
condiciones actuales de la estructura analizando factores fundamentales como son los
niveles de agua y las velocidades, entre otros.
La investigación desarrollada tuvo como objetivo general “evaluar desde el
punto de vista hidráulico la propuesta de reconstrucción del puente sobre la quebrada
La Guardia, ubicado en la vía Troncal 7, Municipio Jiménez del Estado Lara,
mediante la aplicación de modelos matemáticos”.
Para abordar toda esta problemática, el presente trabajo está conformado por
cinco capítulos y las referencias bibliográficas. El capítulo I denominado el problema
describe el planteamiento del problema, los objetivos que se pretenden lograr, la
justificación de la investigación, el alcance y las limitaciones.
El capítulo II se refiere al Marco Teórico de la Investigación. En este capítulo
se tratan los antecedentes de la investigación, además de mencionar aspectos
2
cuidadosamente seleccionados de diversos autores, que servirán de bases teóricas
para el desarrollo del siguiente trabajo.
En el capítulo III, se detalla el marco metodológico donde se establece el tipo
de investigación y los procedimientos para la modelación hidráulica.
El capítulo IV se refiere a la presentación y análisis de resultados obtenidos en
función de los objetivos específicos planteados en la investigación.
El capítulo V se refiere a las conclusiones y recomendaciones del trabajo.
Finalmente, se presentan las referencias bibliográficas y anexos que sustentan
la investigación.
3
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del Problema
La Ingeniería Civil abarca un amplio campo de estudio, que comprende
diferentes áreas, entre estas se encuentran la estructural, vial, hidráulica, sanitaria y
construcción, entre otras. Fundamentalmente, esta ingeniería se enfoca al análisis y
diseño de obras civiles, las cuales en muchas ocasiones están íntimamente
relacionadas con los recursos hidráulicos, cuyo estudio le compete a una rama en
particular de la misma denominada Ingeniería Hidráulica. Esta última se ocupa tanto
de planificar y proyectar, como de construir y operar obras, basándose en el
aprovechamiento del recurso hidráulico.
El análisis basado en los ríos se conoce como hidráulica fluvial, parte de la
rama hidráulica que estudia el comportamiento propio del río y la interacción con su
entorno, específicamente cuando las acciones humanas ocasionan una reacción o
cambio en el comportamiento del río por efecto de la construcción de alguna obra
civil. Un caso muy específico es la construcción de puentes, que son estructuras
diseñadas para atravesar obstáculos presentes en un camino, como lo es el cruce de
ríos.
Los puentes con el paso del tiempo se han convertido en una necesidad para
las personas. La conexión entre caminos que son separados por el cauce de un río ya
no es una dificultad, con el transcurrir de los años se han diseñado mejores estructuras
y se ha innovado en las características, empleo de materiales y construcción de estos.
El desarrollo de la ciencia y mucho más de la ingeniería ha permitido tener mejores
resultados, en cuanto a durabilidad, seguridad y funcionalidad de los puentes, lo que
4
ha permitido un avance considerable en este campo. Sin embargo, el estudio en ríos
es realmente de carácter empírico, puesto que no se puede tener certeza plena de
cómo será la respuesta de los ríos ante la intervención del hombre. Además existen
diversos métodos de análisis y su precisión es muy variable. Por esto la apreciación
del ingeniero se ha convertido en la principal y fundamental herramienta para
determinar el comportamiento de los ríos, con base a la experiencia e intuición del
especialista, sus conocimientos técnicos y científicos, y la recolección de datos e
información del río.
La interacción entre el río y los puentes puede tener efectos perjudiciales, ya
que si no se diseñan los puentes bajo las características propias y específicas del río,
este puede ocasionar daños en la estructura. Rocha, (1998), en el libro titulado
Introducción a la hidráulica fluvial expresa: “La construcción de una obra hidráulica
en un río altera el comportamiento fluvial, lo que se manifiesta mediante procesos de
erosión y/o sedimentación. A su vez los solidos transportados por las corrientes
líquidas causan daños a las estructuras hidráulicas que están en contacto con ellas”.
En la actualidad, existen programas y herramientas computacionales, basados
en modelos físicos y matemáticos que permiten estimar y evaluar el comportamiento
hidráulico de los ríos, en donde el operador debe suministrar datos de la geometría del
río, obtenidos de la topografía y de las características del terreno conseguidas en
campo, y por otra parte, proporcionar datos hidrológicos de la zona, tales como el
caudal máximo de diseño e hidrogramas de escorrentía. Al tener estos datos se
plantean ciertas premisas referentes al flujo en estudio, y el software al realizar la
corrida permite corroborar que lo asumido inicialmente sea correcto o no. Además si
se ingresan datos específicos de la estructura (puente), se muestra la incidencia de los
niveles de agua y en general el comportamiento hidráulico del río ante la presencia de
la obra. Los modelos son de gran ayuda para la evaluación de los puentes, simplifican
los cálculos de diseño y permiten obtener una correlación entre la situación actual y
posterior a la construcción de dicha obra civil.
5
Un caso particular, en el cual se presentaron problemas hidráulicos que
ocasionaron el colapso de la estructura, es el puente La Guardia ubicado en el sector
el Rodeo-Quibor, del Estado Lara. En noviembre 2008, EL UNIVERSAL publicó
“Sólo en el municipio Torres del estado Lara, más de 200 personas se vieron
afectadas en toda la entidad, como consecuencia de las continuas lluvias que cayeron
ayer y que además contribuyeron al desplome de una parte del puente La Guardia que
comunica a Barquisimeto con Quibor”. Así mismo, en la publicación el director
regional de Protección Civil señaló que la caída de una parte del puente La Guardia
había generado problema de congestionamiento vial, ya que la movilización por ese
lugar es elevada.
Además, esta obra comunica al municipio Iribarren con los municipios Morán,
Jiménez y Andrés Eloy Blanco, su desplome, generó descontento en las poblaciones.
Las autoridades competentes tomaron medidas de contingencia, colocando sólo un
canal de ida y otro de vuelta para asegurar el paso de los vehículos, pero con los años
se volvió la única opción para el tránsito y comunicación entre los municipios
anteriormente mencionados. La recuperación del puente se ha tornado muy lenta, para
su reconstrucción hay que considerar otras variables como el comportamiento del río
y su variabilidad en las distintas épocas del año.
Ante la situación planteada, surge la necesidad de realizar un estudio desde el
punto de vista hidráulico del puente sobre la Quebrada la Guardia ubicado en la
Troncal 7, sector el Rodeo-Quibor, Municipio Jiménez del Estado Lara, a través del
uso y aplicación de diversos modelos hidráulicos, tanto unidimensionales como
bidimensionales.
6
1.2. Objetivos de la Investigación
1.2.1 Objetivo General
Evaluar desde el punto de vista hidráulico la propuesta de reconstrucción del
puente sobre la quebrada La Guardia, ubicado en la vía troncal 7, Municipio Jiménez
del Estado Lara, mediante la aplicación de modelos matemáticos.
1.2.2 Objetivos Específicos
Identificar las condiciones actuales del puente mediante inspección visual y
recolección de información acerca de la topografía y caudales máximos.
Analizar el comportamiento hidráulico del puente sobre la quebrada La
Guardia, Municipio Jiménez, Edo. Lara, a través del modelo hidráulico
unidimensional (HEC-RAS) y bidimensional (IBER).
Comparar la modelación realizada del puente mediante cada uno de los
paquetes informáticos.
7
1.3 Justificación
El análisis del comportamiento de un río ante la presencia de un puente es
fundamental para garantizar su buen funcionamiento, puesto que si no se tienen en
consideración determinados factores hidráulicos, pueden ocurrir daños considerables
e irrecuperables, hasta el fallo de la estructura. Por ello, es necesaria la realización de
estudios hidráulicos previos a la construcción de una estructura, de tal modo que se
tenga suficiente información de las condiciones propias del lugar donde se planea
realizar, y se garantice un diseño óptimo del puente.
Debido a la problemática existente en la Quebrada la Guardia, donde el puente
ya está caído, no existe paso alguno por él y la comunicación entre los poblados es
ahora limitada, se necesita un estudio hidráulico en la quebrada, para así verificar si el
nuevo proyecto que remplazará este puente se adapta a las condiciones hidráulicas
más acertadas y específicas de la Quebrada. Este estudio preverá daños futuros que se
puedan presentar en la nueva estructura, evitando que tanto las comunidades cercanas
como las personas que transitan estas vías, se vean afectadas de algún modo por la
inaccesibilidad al sector, y por ende la comunicación entre las ciudades de
Barquisimeto y Quibor.
8
1.4 Alcances y limitaciones
El alcance del presente trabajo fue la evaluación general del comportamiento
hidráulico en la quebrada La Guardia a la altura de la vía que comunica las ciudades
de Barquisimeto y Quibor, mediante el análisis de los resultados arrojados por los
paquetes informáticos HEC-RAS e IBER al simular las condiciones hidráulicas de
dicho cauce.
Algunas de las limitaciones que ocurrieron fueron la falta de datos
topográficos e hidrológicos actualizados, motivo por el cual fue necesario la
realización de un levantamiento topográfico y posteriormente la creación de un
modelo digital del terreno para obtener mayor precisión en los resultados. Los datos
de caudales no se encontraron directamente, por lo cual se tuvo que realizar
adicionalmente el estudio hidrológico para así calcular los caudales para distintos
períodos de retorno.
Por otra parte, la accesibilidad al sitio para la inspección y levantamiento, fue
complicada por motivos de inseguridad en la zona. Además justo en el área de los
puentes, se encontraron ciertos movimientos de tierra, realizados por quienes van a
desarrollar la recuperación del puente. Con esto, se tuvo que tener mucha precaución
ya que para el levantamiento, no deben estar incluidos dichos movimientos de tierra
por ser provisionales y artificiales.
9
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes Relacionados con la Investigación
El análisis del comportamiento hidráulico, es necesario para el diseño de
puentes, debido a la vasta gama de condiciones de flujo que se consiguen en los
cauces naturales y su variación en el tiempo. La falta de conocimiento de estas
condiciones puede ocasionar problemas a la estructura. Uno de los problemas
hidráulicos más complejos a los que conlleva la falta de evaluación hidráulica, es la
socavación, fenómeno inestable de difícil solución tanto experimental como analítica.
Los estudios realizados sobre el fenómeno de la socavación alrededor de pilas y
estribos difieren unos de otros, debido al gran número de variables que intervienen.
La mayoría de los autores concretan su trabajo al estudio de dos o tres parámetros
bajo condiciones de flujo bien definidas, por lo que en ocasiones difieren en sus
conclusiones generando confusión de aceptar una u otra teoría.
En nuestro país, es numeroso el colapso de puentes debido a la falta de estudio
hidráulico para su diseño, las investigaciones realizadas son escasas, es por esto que
surge la necesidad de optimizar los métodos para el cálculo del comportamiento
hidráulico en ríos y con ello, los efectos ocasionados sobre las estructuras.
En este sentido se presentan algunos trabajos de investigación consultados cuyos
objetivos estuvieron relacionados con el tema a investigar.
Rodríguez y González, (2009), con la investigación “Determinación del
comportamiento de la fracción dispersiva en ríos característicos de montaña”
10
cuyo objetivo fundamental fue proponer una metodología para la generación
de mapas de inundaciones y clasificación de zonas de amenaza, utilizando de
forma acoplada las herramientas de modelación hidrológica HEC-GeoHMS y
HEC-HMS, y las herramientas de modelación hidráulica HEC-GeoRAS y
HEC-RAS, del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos. Los resultados
obtenidos permitieron concluir que el uso adecuado, sistemático y responsable
de herramientas de procesamiento de información geográfica, combinadas con
la aplicación de modelos hidrológicos e hidráulicos, correctamente calibrados
y validados, brinda a los tomadores de decisiones información valiosa y
oportuna para la implementación de medidas que tiendan a reducir el impacto
de eventos torrenciales y catastróficos sobre la población.
La investigación desarrollada por Majano (2010), titulada “Evaluación
hidráulica y estimación del grado de socavación del puente Yumare, ubicado
en el Estado Yaracuy, Venezuela”. La investigación tiene como objetivo
principal evaluar hidráulicamente la interferencia del puente Yumare en el Rio
Aroa y estimar el grado de socavación presente en la estructura ubicada en el
estado Yaracuy. Se realizó el Hidrograma de diseño en el sitio de ponteadero
(HEC-HMS), al igual que la simulación del modelo (HEC-RAS),
obteniéndose su comportamiento hidráulico y los valores necesarios para la
estimación del grado de socavación presentado en la obra (Hoja de cálculo).
Por último se determinó que los valores de socavación esperados en la
estructura superaron ampliamente las fundaciones profundas construidas.
Dentro de esta misma línea, se ubica el trabajo presentado por Cuervo (2012),
denominado “Comparación de los modelos hidráulicos unidimensional (HEC-
RAS) y bidimensional (IBER), mediante la modelación hidráulica”. La autora
se planteó como objetivo principal comparar los modelos hidráulicos HEC-
11
RAS e IBER. Concluyó que a pesar de que los dos modelos comparados usan
esquemas de cálculo distintos para la solución de las ecuaciones, los
resultados obtenidos con ambos modelos no son muy diferentes. Además las
diferencias presentadas se deben en gran medida a que estos esquemas de
solución requieren de una discretización espacial distinta que genera algunas
discrepancias en los resultados. Se evidencia que IBER y HEC-RAS, son
modelos que presentan un entorno amigable y fácil de usar, por lo que obtener
resultados de algún problema que se plantee no es difícil. Sin embargo debido
a esta cualidad, si no se conocen o se asumen de forma correcta todas las
variables que afectan la solución del problema, como por ejemplo las
condiciones de contorno, la topografía del terreno, los usos del suelo y las
condiciones iniciales, los resultados obtenidos pueden no ser correctos y por
lo tanto el uso de estos programas se debe realizar con discreción y
precaución.
Desde esta perspectiva Kossowski y Rupcich (2013), en la investigación
“Evaluación desde el punto de vista hidráulico del puente sobre la Quebrada
Borure, Municipio Iribarren, Estado Lara, mediante la aplicación de los
programas HEC-RAS y HEC-GEORAS”. El objetivo general de esta
investigación fue evaluar desde el punto de vista hidráulico, mediante la
aplicación de los programas de dominio público HEC-RAS Y HEC-GeoRAS.
Su investigación consistió en la recopilación de la información cartográfica,
meteorológica, topográfica e hidrológica, sustentadas con observaciones
realizadas en campo para la adecuada ejecución de la modelación
Agüero y Torrealba (2013), con la investigación “Evaluación Hidráulica del
puente sobre la Quebrada Mosquera, ubicada en el Municipio Iribarren,
Estado Lara, mediante la aplicación de los Modelos Hidráulicos Hec-RAS e
12
Iber”. El objetivo de este trabajo fue evaluar hidráulicamente el puente sobre
La Quebrada Mosquera bajo la condición de régimen flujo permanente fondo
fijo y el análisis comparativo de los resultados obtenidos para ambos modelos.
Tantos los objetivos como las conclusiones a las que llegaron los
investigadores anteriormente mencionados estuvieron enfocados a obras
civiles que se encuentran bajo la influencia del recurso hídrico, que
permitieron obtener información concreta sintetizada, resultados mucho más
precisos que los obtenidos mediante cálculos manuales, además algunos
consideran la socavación como principal objeto de estudio en los puentes,
realizando en detalle el análisis y calculo del fenómeno que se pretende
realizar, del mismo modo en el último citado, a pesar de que el enfoque no
está dado para la aplicación en puentes, se comparan modelos,
unidimensionales con bidimensionales, uno de los objetivos en los cuales se
basa la presente investigación, desarrollando analogías entre ellos y
obteniendo resultados de gran utilidad para el estudio y diagnóstico de la
situación que se plantean.
13
2.2 Bases Teóricas
Para el sustento de la investigación desde un punto de vista conceptual, es
importante identificar cada una de las teorías y proposiciones que constituyen al tema
en estudio. De este modo, es necesario tener en cuenta todos los factores y elementos
presentes sobre la zona en estudio para plantear efectivamente las posibles soluciones
a la problemática que se presenta.
A estos fines, la morfología fluvial estudia la estructura y forma de los ríos,
incluyendo la configuración del cauce en planta, la geometría de las secciones
transversales, la forma del fondo y las características del perfil. Sin embargo, debe
precisarse que no solo interesa el estudio de las formas actuales que tiene un río, sino
fundamentalmente la explicación y manera de cómo el río ha llegado a su forma
presente.
Uno de los factores que inciden más intensamente en el comportamiento
fluvial está constituido por las acciones humanas. Por ellos, la construcción de presas,
puentes, encauzamientos, obras de defensa y otras, producen alteraciones fuertes en el
escurrimiento fluvial. De allí que el ingeniero necesita conocer con anticipación como
va a reaccionar el río frente a las obras que se piensa construir.
2.2.1 Hidráulica y Morfología Fluvial
Admitiendo que, la escorrentía superficial se origina en la precipitación y que
la lluvia puede producirse en una parte de la cuenca o en toda la cuenca. En efecto,
esta circunstancia depende de varios factores, entre ellos está el tamaño de la cuenca,
por lo que este evento no traerá un escurrimiento superficial generalizado. Por el
contrario, el agua tiende a concentrarse en determinados cursos que se van juntando
unos a otros y que constituyen finalmente los ríos, que es el factor fundamental
causante de la socavación en las bases y elementos de un puente. El río puede
14
definirse como un sistema de canales naturales, por medio de los cuales se descarga el
agua de la cuenca.
Según Rocha (1998), el río se define como el elemento de drenaje de la
cuenca. Sin embargo, un río no solo lleva agua sino también materiales sólidos que
provienen de la erosión de la cuenca. En general los ríos tienen fondo móvil, aunque
no todos ni siempre.
También es importante considerar el significado del fondo móvil (o lecho
móvil) ya que el lecho del río está constituido por partículas sólidas no cohesivas
(arena, grava), que están en movimiento. Las márgenes, las riberas, los lechos de los
ríos están en general compuestos de materiales erosionables. Debe entenderse que
dichos materiales son erosionables para determinado caudal o velocidad de corriente
2.2.2 Hidrología
Es conveniente tener en cuenta las condiciones hidrológicas del lugar donde
está ubicado el puente, por lo que se hace necesario el desarrollo del hidrograma, el
cual se define como un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna
información hidrológica, tales como: los niveles de agua, caudal, carga de
sedimentos, entre otros.
Por esta razón, los hidrogramas son útiles, entre otras cosas, para comparar los
tiempos de descarga y caudales picos de varias corrientes o cuencas hidrográficas,
para así conocer las diferencias entre sus capacidades de respuestas antes de sus
llegadas. De esta manera entre los diferentes tipos de hidrogramas se mencionarán
algunos:
2.2.2.1 Modelo HEC-HMS
El HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System) es
un programa de simulación hidrológica tipo evento, lineal y semidistribuido,
15
desarrollado para estimar los hidrogramas de salida en una cuenca o varias
subcuencas (caudales máximos y tiempos al pico) a partir de condiciones extremas de
lluvias, aplicando para ello algunos de los métodos de cálculo de hietogramas de
diseño, pérdidas por infiltración, flujo base y conversión en escorrentía directa.
Para definir la estructura de las cuencas, el programa considera los siguientes
elementos:
1. Subcuencas (Subbasins)
2. Tramos de tránsito (Routing reach)
3. Uniones (Junctions)
4. Embalses (Reservoirs)
5. Fuentes (Sources)
6. Sumideros (Sinks)
7. Derivaciones (Diversions)
Con estos siete componentes, el usuario puede elaborar una cuenca tan compleja
como requiera el problema que está tratando y como permita la información de
campo disponible. Si se cuenta con información digital de campo, el HMS incluye la
opción de trabajar la cuenca con subdivisiones en grillas o celdas, cada una de las
cuales almacena información pertinente respecto a la precipitación, área, pendientes y
condición de humedad del suelo.
2.2.3 Modelos hidráulicos
Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza y dentro del campo de
la hidráulica son tan complejos que no es fácil tratarlos únicamente con métodos
matemáticos. Por lo anterior es conveniente recurrir al empleo de técnicas
experimentales, como herramienta en la obtención de soluciones prácticas, aplicadas
a problemas de ingeniería, estuarios, fluvial y obras hidráulicas en general.
16
Algunas de las aplicaciones más comunes se presentan en: estudios de
propagación de oleaje, acción de mareas y corrientes, movimiento de sedimentos,
estabilidad de estructuras sujetas a la acción del oleaje, propagación de mareas,
funcionamiento de estuarios, erosión y sedimentación de cauces, control de avenidas,
obras de toma, cárcamos de bombeo, vertederos, conducción de agua a presión,
difusión térmica y desechos, etc.
Los métodos matemáticos plantean soluciones con modelos matemáticos
idealizados, lo que permite simplificaciones importantes, que a su vez causan efectos
que deben ser valorados mediante ensayos experimentales, a través de modelos
físicos a escala reducida o de tipo analógico.
En hidráulica, el término modelo corresponde a un sistema que simula un
objeto real llamado prototipo, mediante la entrada de cierta información se procesa y
se presenta adecuada para emplearse en el diseño y operación de obras de ingeniería
civil. Un modelo físico a escala reducida es una representación a escala del objeto
real o prototipo, y cumple ciertas condiciones matemáticas definidas.
En la actualidad se dispone de técnicas avanzadas de modelación física de
fenómenos hidráulicos que, unidas al desarrollo de instrumento de medición y
equipos generadores de fenómenos a escala, permiten predecir con alto grado de
certidumbre lo que pueda ocurrir en el prototipo y, por tanto, se obtienen óptimos
resultados en los aspectos de funcionalidad, estabilidad y economía de las estructuras
a construir. Esto justifica ampliamente la utilización de modelos hidráulicos.
El empleo de un modelo hidráulico implica establecer un programa definido
de investigación experimental sobre todas las variables que intervienen, en forma
particular o en grupo. Lo anterior se hace para poder verificar en su caso la validez
de soluciones analíticas de un problema dado, o determinar las leyes de relación entre
las diferentes variables que, extrapoladas al prototipo, permitan optimizar la
17
eficiencia de cada uno de los elementos del sistema modelo-prototipo. En ciertas
etapas del programa y cuando el problema se puede describir con suficiente detalle
utilizando modelos matemáticos, éstos se emplean complementariamente con
resultados satisfactorios.
2.2.3.1 Hydrologic Engineering Centers River Analysis System
El programa HEC-RAS fue desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica
del Cuerpo de Ingenieros Militares de los Estados Unidos (Hydrologic Engineering
Center-HEC), para realizar cálculos hidráulicos en una dimensión para sistemas de
cauces naturales o artificiales (River Analysis System-RAS). HEC-RAS facilita el
cálculo de perfiles del agua y de los parámetros hidráulicos del cauce.
La primera versión de HEC-RAS (1.0) fue presentada en Julio de 1995. Desde
entonces, se han realizado diversos cambios o mejoras en el software, pasando por
diferentes versiones. Una de las mayores ventajas de HEC-RAS es que posee una
interface gráfica bajo entorno de Windows, la cual se facilita el ingreso de los datos
necesarios para el análisis, además de la visualización gráfica y tabulación de los
resultados obtenidos (pre y post procesamiento de la información).
2.2.3.1.1 Características del modelo
HEC-RAS permite el análisis hidráulico unidimensional de una red compleja
de canales naturales o artificiales. A continuación se realiza una breve descripción de
las características que presenta el modelo para la solución de ambos tipos de flujo.
Flujo Permanente: Esta componente ha sido diseñada para la estimación del
perfil de la superficie libre en flujo permanente gradualmente variado. El modelo
opera para un solo canal, un sistema dendrítico, o complejas redes o sistemas de
canales. En régimen permanente es posible modelar flujo subcrítico, supercrítico y
mixto. El procedimiento computacional básico está basado en la solución de la
18
ecuación unidimensional de energía. Las pérdidas de energía son debido a la fricción
(cuantificadas mediante la ecuación de Manning), además de las pérdidas por
contracción o expansión (mediante coeficientes que afectan a los términos de la altura
de velocidad en la ecuación de energía).
La ecuación de cantidad de movimiento es utilizada donde el perfil de la
superficie libre es rápidamente variado. Estas situaciones incluyen el cálculo en
régimen de flujo mixto, como lo son los resaltos hidráulicos, la hidráulica de puentes,
la confluencia de dos ríos, entre otros. Los efectos de diversas obstrucciones como
puentes, alcantarillas, vertederos y otras estructuras, pueden ser considerados en el
análisis. También permite evaluar los cambios en la superficie libre debido a mejoras
o modificaciones en el canal analizado.
Flujo No Permanente: Esta componente permite simular flujo
unidimensional no permanente a través de una compleja red de canales a superficie
libre. El solver de la ecuación de flujo no permanente fue adaptado del modelo UNET
desarrollado por Barkau R. (HEC, 2001). Esta componente fue desarrollada
primeramente para el cálculo de flujo a régimen subcrítico, y su aplicación a
situaciones con cambios de régimen hidráulico presenta problemas de inestabilidad,
aun en las versiones más recientes. El cálculo hidráulico para las secciones
transversales, puentes, alcantarillas, y otras estructuras hidráulicas, que fueron
desarrolladas para la componente de flujo permanente, han sido incorporados dentro
de este módulo. Además, este modelo de flujo no permanente permite modelar áreas
de acumulación y conexiones hidráulicas entre dichas áreas, como así también entre
tramos de canal.
En el caso de la hidráulica fluvial, los modelos pueden clasificarse en
modelos de lechos fijos, modelos de lecho móvil y modelos de régimen permanente y
no-permanente, aunque pueden existir combinaciones entre ellos:
19
Modelos de lecho fijo: estos modelos requieren información hidráulica,
sedimentológica, topográfica y de calibración. En este tipo de modelos el sedimento
no se emplea para calcular el arrastre, pero si para evaluar las condiciones de
rugosidad del cauce. Estos modelos sugieren un cauce de sección transversal fija.
Modelo de lecho móvil: estos inician una modelación previa de las
características hidráulicas. Una vez calibrado el comportamiento hidráulico se
procede a incluir los datos complementarios que afectan a los sedimentos:
granulometrías, zona erosionable y no erosionable y profundidad de la zona
erosionable (profundidad de protección, controles geológicos, etc.). Una vez
calibrados los modelos de lecho móvil, arrojan información importante para el
análisis del comportamiento hidráulico-morfológico de la corriente y su cauce.
Modelos de régimen no-permanentes: estos modelos requieren igualmente
características topográficas, hidráulicas, sedimentológicas, de calibración y
condiciones de caudal en función del tiempo. A lo anterior, se suma la complejidad
de sus ecuaciones que se traduce en problemas adicionales de estabilidad numérica y
convergencia. Para esto, es necesario realizar primero un proceso de calibración en
condiciones de régimen permanente y finalmente un análisis de sensibilidad de los
modelos de los parámetros que se consideren ciertos.
Modelos matemáticos fluviales o de flujo libre: con las herramientas
informáticas existentes, la simulación o modelación del comportamiento hidráulico y
morfológico de cauces aluviales es un recurso de fácil utilización que proporciona
buenos resultados para el análisis de complejos problemas que se presentan en el área
de la ingeniería fluvial. Muchas personas y organizaciones públicas y privadas de
gobiernos de todo el mundo, universidades, institutos, centros, entre otros, se han
esforzado en desarrollar teorías, modelos y herramientas que mejor modelen el
comportamiento de los ríos aluviales. Sin embargo, en nuestro país, estas técnicas
son recientes y se inunda el medio de incertidumbre e incredulidad.
20
Hidráulica en el sitio del cruce con un puente
Cuando se tienen condiciones de flujo libre en la zona del puente se dice que
el flujo es bajo, en tanto que el flujo alto se considera cuando la estructura llega a
actuar a presión o como un verdadero vertedero. En la (Figura 1) se observan los
tipos de flujo en la zona de un puente.
a) Flujos bajos
Flujo libre.
Flujo bajo compuertas.
Flujo en orificio
b) Flujos altos.
Flujo en vertedero.
Figura 1. Tipos de flujo en la zona de un puente. Hydrologic Engineering Centers
River Analysis System (HEC-RAS)
21
En la práctica, existen cuatro diferentes enfoques de modelación hidráulica del
flujo a través del puente, las cuales se pueden usar para determinar los parámetros
necesarios para calcular la socavación: modelación hidráulica asumiendo flujo
uniforme y una sola sección transversal (esta se divide en: cuando se conoce el caudal
de estiaje (Qe) y el caudal de diseño (Qd) o el NAME o cuando se conoce la
pendiente de cauce y el caudal de diseño (Qd) o el NAME, modelación hidráulica
asumiendo flujo uniforme y dos secciones transversales, cálculo de la profundidad del
remanso usando métodos empíricos y flujo variado, siendo este último el más
recomendado.
Limitaciones del HEC-RAS
Flujo gradualmente variado
Debe cumplirse ley hidrostática de presiones
En pequeños tramos que es rápidamente variado utiliza ecuación de momento
Flujo unidimensional
Secciones siempre perpendiculares al flujo
Pendientes menores a 10%
Altura de presión es considerada igual a la cota de agua
2.2.3.2 Modelización Bidimensional del Flujo en Lámina libre en aguas poco
profundas (IBER)
IBER es un modelo numérico de simulación de flujo turbulento en lámina
libre en régimen no permanente, y de procesos medioambientales en hidráulica
fluvial. El rango de aplicación de IBER abarca la hidrodinámica fluvial, la simulación
22
de rotura de presas, la evaluación de zonas inundables, el cálculo de transporte de
sedimentos y el flujo de marea en estuarios.
El modelo IBER consta actualmente de 3 módulos de cálculo principales: un
módulo hidrodinámico, un módulo de turbulencia y un módulo de transporte de
sedimentos. Todos los módulos trabajan sobre una malla no estructurada de
volúmenes finitos formada por elementos triangulares o cuadriláteros. En el módulo
hidrodinámico, que constituye la base de IBER, se resuelven las ecuaciones de aguas
someras Bidimensionales promediadas en profundidad (ecuaciones de St. Venant
2D). El módulo de turbulencia permite incluir las tensiones turbulentas en el cálculo
hidrodinámico, pudiéndose utilizar para ello diferentes modelos de turbulencia para
aguas someras con diferente grado de complejidad. En la versión actual se incluyen
un modelo parabólico, un modelo de longitud de mezcla y un modelo k-ε. El módulo
de transporte de sedimentos resuelve las ecuaciones de transporte de fondo y
transporte turbulento en suspensión, calculando a partir del balance de masa de
sedimento la evolución de la cota de fondo.
El modulo hidrodinámico resuelve las ecuaciones de aguas someras
promediadas en profundidad, también conocidas como 2D Shallow Water Equations
(2D-SWE) o ecuaciones de St. Venant bidimensionales. Dichas ecuaciones asumen
una distribución de presión hidrostática y una distribución relativamente uniforme de
la velocidad en profundidad. La hipótesis de presión hidrostática se cumple
razonablemente en el flujo en ríos, así como en las corrientes generadas por la marea
en estuarios.
Asimismo, la hipótesis de distribución uniforme de velocidad en profundidad
se cumple habitualmente en ríos y estuarios, aunque pueden existir zonas en las que
dicha hipótesis no se cumpla debido a flujos locales tridimensionales o a cunas
salinas. En estos casos es necesario estudiar la extensión de dichas zonas y su posible
repercusión en los resultados del modelo. En la actualidad, los modelos numéricos
basados en las ecuaciones de aguas someras bidimensionales son los más utilizados
23
en estudios de dinámica fluvial y litoral, evaluación de zonas inundables, y cálculo de
transporte de sedimentos y contaminantes.
2.2.4 Sistemas de Información Geográfica (SIG)
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) se definen como sistemas
informáticos capaces de ensamblar, almacenar, manipular y mostrar la
información geográficamente referenciada. Originalmente fue desarrollado como
una herramienta para los cartógrafos, GIS ha ganado recientemente un amplio uso
en ingeniería de diseño y análisis, especialmente en el campo de la calidad de
agua, hidrología y la hidráulica. SIG proporciona un entorno en el que se
superponen capas de datos, para así crear los datos espaciales. Los resultados
pueden ser mapeado digitalmente y se tabulan, facilitando el análisis eficiente y la
toma de decisiones. Los elementos en un SIG suelen ser descritos por uno de los
tres modelos de datos:
1. Vector
2. Raster
3. Triangular Irregular Network (TIN)
2.2.4.1 ArcGis – ArcMap
Es un software para trabajar en sistemas de información geográfica (SIG),
esta herramienta ha sido desarrollada por la empresa Environment Systems
Research Institute Inc. (ESRI), líder en la fabricación de productos relacionados
con SIG.
Los documentos de ArcGis identifican los diferentes formatos de dato que este
software maneja, cada tipo de documento posee su propia interface gráfica. Estos
24
documentos son las vistas (despliegue de datos espaciales), las tablas (despliegue
de datos atributivos), los gráficos, los layouts (salidas de mapas) y los Scripts
(aplicaciones programadas).
2.2.4.2 Hydrologic Engineering Centers River Analysis System -Geology
(HEC-GEORAS)
HEC-GeoRAS es un conjunto de procedimientos, herramientas y
utilidades para el procesamiento de datos geoespaciales en ArcGIS mediante una
interfaz gráfica de usuario. La interfaz permite la preparación de los datos
geométricos para la importación en HEC-RAS y procesa los resultados de
simulación exportados de HEC-RAS. Para crear el archivo de importación, el
usuario debe tener un modelo digital del terreno existente, del sistema fluvial en
el formato ArcInfo TIN. El usuario crea una serie de capas de línea pertinentes
para el desarrollo de los datos geométricos para HEC-RAS. Las capas creadas son
la corriente de la línea central, Líneas centrales de rutas de flujo (opcional), Canal
Principal Bancos (opcional) y las Secciones transversales.
Temas adicionales RAS se pueden crear / se utiliza para extraer datos geométricos
adicionales para la importación en HEC-RAS. Estos temas incluyen Uso del
Suelo, Diques, áreas de flujo inefectivas, y áreas de almacenamiento.
Los datos del perfil de la superficie del agua y datos de velocidad exportados
de simulaciones HEC-RAS podrán ser tratados por HEC-GeoRAS para el análisis
SIG para el mapeo de llanura de inundación, los cálculos de daños por
inundaciones, restauración de ecosistemas, y alerta de inundaciones y la
preparación para la respuesta.
25
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1 Tipo de Investigación
La modalidad de investigación del presente trabajo se clasifica como un
estudio de proyecto el cual esta apoyado tanto en la investigación de campo como
en la investigación monográfica documental. Según el Manual para la elaboración
del trabajo conducente a grado académico de Especialización, Maestría y
Doctorado, aprobado por el Consejo Universitario de la Universidad
Centroccidental "Lisandro Alvarado" (2002), se entiende por estudio de proyecto
a una proposición sustentada en un modelo viable para resolver un problema
práctico planteado, tendente a satisfacer necesidades institucionales o sociales, en
este caso la propuesta ya existente será evaluada para de esta forma ser adaptada
a las condiciones más adecuadas que cumplan con las exigencias tanto de la
naturaleza del lugar como del uso colectivo de los municipios aledaños. Se basará
en una investigación de campo puesto que la recolección de datos será realizada
mediante la observación en el sitio de estudio y a su vez se considera monográfico
documental por tratarse de un estudio descriptivo, tratándose de un estudio tipo
teórico – práctico que presentará posibles alternativas de solución para ampliar y
profundizar el conocimiento de la naturaleza de la problemática.
26
3.2 Características Generales
3.2.1 Situación Geográfica
El Municipio Jiménez es uno de los 9 municipios que conforman el Estado
Lara, se encuentra en el centro del Estado rodeado al norte por el Municipio Torres, al
sur por el Municipio Andrés Eloy Blanco, al este limita con el Municipio Iribarren y
al oeste con el Municipio Morán. Tiene una superficie de 768 km² y una población de
105.872 (censo 2011), su capital es la ciudad de Quíbor, que quiere decir en la lengua
indígena sembrar y cosechar, haciendo alusión a la riqueza agrícola de sus tierras
además de ser un centro importante de servicios, agrícola y artesanal.
El puente en estudio se encuentra ubicado en el Municipio Jiménez, sobre la
Quebrada la Guardia, la cual es una Quebrada intermitente que recibe su afluente de
otras Quebradas de la región. Actualmente forma parte de una de las tres fuentes que
proporciona agua para el riego Agrícola en el valle de Quíbor para las épocas de
sequía. Específicamente, la estructura está posicionada en las coordenadas: N:
1.100.189,01 E: 436.609,34. En la (Figura 2) se ubica geográficamente el Municipio
Jiménez.
Figura 2. Ubicación Geográfica del Municipio Jiménez.
27
3.2.2 Características fisiográficas de la Cuenca
Las características físicas se obtuvieron del formato digital de la cuenca, a
partir de la hoja cartográfica 6245, que corresponde a la zona en estudio. Con el apoyo
del programa AutoCAD se realizó la digitalización de la cuenca, la imagen insertada
fue escalada para poder obtener áreas y distancias a escala real para luego utilizar la
Georreferenciación que permite definir la localización en el sistema de coordenadas UTM.
Se ubicó un punto en la intersección entre la Quebrada y el Puente en estudio.
Posteriormente se procedió al trazado de poli-líneas para la delimitación de la cuenca
aguas arriba del punto de interés. Se realizó el mismo procedimiento de trazado de
poli-líneas para los afluentes y tributarios. (Figura 3)
Figura 3. Digitalización en AutoCAD de la Hoja Cartográfica. Fuente propia. 2013
Con el formato digital, se obtuvo que la cuenca ocupa un área 94.15 . A
través de imágenes satelitales del lugar, se observó que aguas arriba de la cuenca, a
los alrededores de Cubiro, las características de relieve predominante es de tipo
montañoso, extendiéndose hasta la parte media-baja de la cuenca, en donde las cotas
28
van en descenso hasta Quibor, donde se define una zona de planicie con sembradíos
variados. (Figura 4)
Figura 4. Quebrada La Guardia. Fuente propia. 2013
3.2.3 Puente sobre La Quebrada La Guardia
Sobre la Quebrada la Guardia se construyó un puente, que inicialmente poseía
dos canales, uno por sentido, esta estructura fue realizada con concreto ciclópeo hace
más de 50 años. Al transcurrir los años por la alta demanda de la vía se decidió
construir otro puente de dos canales, más moderno realizado con concreto armado.
Finalizada esta construcción se obtuvo que cada puente tuviese dos canales en el
mismo sentido, pero uno con sentido Barquisimeto-Quibor y el otro a su vez con
sentido Quibor-Barquisimeto. (Figura 5)
En el 2008, uno de los canales del puente de concreto ciclópeo se desplomó y
la caída ha generado un problema de congestionamiento vial debido a que la
movilización es elevada por la ubicación estratégica con los Municipios Iribarren,
Morán, Jiménez y Andrés Eloy Blanco los cuales son poblaciones importantes para la
traslado de trabajadores y de productos agrícolas hacia las afueras de la población.
29
Figura 5. Puente La Guardia. Fuente propia.
Actualmente, el Ministerio del Poder Popular para Transporte y
Comunicaciones, ha realizado un proyecto para la reconstrucción del canal caído, el
cual será realizado con concreto de Resistencia mínima a compresión de
. Este proyecto tendrá las siguientes especificaciones: (Anexo 1)
Ancho de la Calzada = 9.60m
Largo del Tablero = 105m
Pilotes
Estribos con aletas en ambos extremos del puente
16 Pilas de distribuidas a lo largo del puente
A su vez, el puente en funcionamiento cumple con características similares a
la del puente en construcción, entre ellas se tiene:
Ancho de la Calzada = 10.5m
Largo del Tablero = 91.90m
Estribos con aletas en ambos extremos del puente
2 Pilas de distribuidas a lo largo del puente
Cabe resaltar que en la zona aguas abajo del puente se encuentra una obra de
protección compuesta por unos escalones de concreto los cuales cumplen la función
de disipar la energía cuando el río entra en operación. (Figura 6)
30
Figura 6. Obra de protección aguas abajo del puente. Fuente propia. 2013
3.3 Procedimiento para la Modelación Hidráulica
3.3.1 Hidrología
Para la cuenca en estudio se localizaron un total de cinco (5) estaciones
climatológicas que registran precipitaciones y se encuentran dentro o cercanas a la
cuenca: San Miguel, Cubiro, Las Tablas, El Zancudo y Cuara. Para la selección de las
estaciones con mayor influencia en la cuenca se aplicó el método de Polígonos de
Thiessen. Una vez hecho este procedimiento se obtuvo que las estaciones El Zancudo
y Cuara no influenciaban de manera significativa el área de la cuenca por lo cual
fueron descartadas, quedando solamente con las estaciones Cubiro, Las Tablas y San
Miguel.
Una vez seleccionadas las estaciones se procedió a chequear los datos de
precipitaciones, consiguiendo un periodo de años con más datos consecutivos entre
1976-1993. Esto se logró utilizando los datos de precipitaciones mensuales del
Gestor de base de Datos Hidrológicos GBDH.
31
Posteriormente se procedió a calcular la precipitación media para los meses
más lluviosos los cuales resultaron ser: mayo, junio y octubre. También se calculó la
precipitación media anual de cada una de las estaciones. Finalmente se obtuvo como
estación mandante Cubiro. Cabe destacar que la carta se encontraba en coordenadas
geográficas referidas al dato La Canoa por lo cual fue modificada al dato WGS84 por
medio del programa Transfoven. En la (Tabla 1) que se muestra a continuación se
presenta la información de las estaciones:
Estación Coordenadas UTM P. media
anual
(mm)
Precipitación media
mensual (mm) Norte Este
Mayo Junio Octubre
Las Tablas 1.087.052,208 445.597,112 968,23 118,85 155,76 103,58
Cubiro 1.082.736,812 436.177,369 978,05 126,07 149,74 114,12
San
Miguel
1.092.307,383 443.473,039 580,57 72,87 64,48 86,62
Tabla 1. Estaciones seleccionadas para la estimación de las precipitaciones medias
anuales y mensuales. Fuente propia.2013
3.3.2 Modelación en HEC-HMS (THE HYDROLOGIC MODELING SYSTEM)
Para la determinación del hidrograma de diseño se utilizó el programa HEC-
HMS, el cual es un Software que calcula el hidrograma producido por una cuenca
empleando datos físicos de la cuenca, datos de precipitación, entre otros. La utilidad
es calcular la evolución del hidrograma a medida que discurre a lo largo de un cauce,
lo que se denomina tránsito de un hidrograma.
El HEC-HMS permite establecer varias subcuencas y calcula para cada tramo
a lo largo del cauce la evolución del hidrograma generado en cada subcuenca. Al
final, el mismo realiza la sumatoria de todos los caudales generados y transitados a lo
largo del recorrido y proporciona el hidrograma de salida de la cuenca.
32
Para calcular el caudal de salida de la cuenca a través del programa HEC-
HMS se requiere cuatros parámetros de entradas: modelo de la cuenca, modelos
meteorológicos, especificaciones de control y datos de entrada.
Antes de introducir estos parámetros de entrada, se eligieron los métodos de
cálculos. Unit System:Metric, Loss: Gridded SCS Curve Number, Transform: SCS
Unit Hydrograph, Baseflow: None, Routing: Muskingum, Gain Loss: None,
Precipitation: Specified Hyetograph, Evapotranspiration: None, Snowmelt: None.
3.3.2.1 Modelo de la Cuenca
El modelo de cuenca es utilizado para representar la parte física de la cuenca,
agregando y conectando elementos hidrológicos, que usan modelos matemáticos para
describir los procesos físicos en la cuenca.
Se realizó el esquema de la cuenca (Figura 7), representando físicamente cada
una de la subcuencas, esto se logró introduciendo y conectando elementos
hidrológicos a partir de la información del modelo digitalizado en el archivo de
AutoCAD.
33
Figura 7. Digitalización de la cuenca en el modelo HEC-HMS. Fuente
propia.
3.3.2.2 Modelo meteorológico
Como datos de entrada (Time-Series Data) se requiere ingresar los
hietogramas. Para esto, se hace necesario tener previamente definido el Factor de
Reducción por Área. A continuación se procede a:
Determinación de las Isoyetas
Una vez definidas las precipitaciones medias, se procedió a calcular las
isoyetas para cada uno de los meses lluviosos. Este método es el más racional e
idóneo cuando se tiene un conocimiento completo de las características topográficas
del área y la localización de zonas de alta y baja pluviosidad. Este procedimiento se
realizó en el programa Surfer 10 de la siguiente manera:
a) Tabulación de datos en Excel
Se colocaron respectivamente por columna las coordenadas Norte,
Este y la precipitación media mensual de cada estación. Este procedimiento
debe hacerse por cada mes lluvioso, por lo cual se guardarán tres archivos;
34
uno para el mes de mayo, otro para el mes de junio y el último para el mes de
octubre.
b) Importe de Datos a Surfer 10
Una vez obtenido los tres archivos, se procede a importar los datos al
programa Surfer 10, seleccionando los archivos de Excel previamente
guardados. Seguidamente se procede a través del menú “Grid/ Data /
IsoyetaMes.xlsx”
c) Interpolación para la elaboración de los Mapas de Isoyetas : Luego
dentro del software se inicia dando click en Grid, allí se selecciona
Data, posteriormente se buscaron los archivos con los datos para la
elaboración de los mapas de isoyetas, para que de esta manera el
programa realice una interpolación de datos, finalmente para obtener
las isoyetas se procede través de menú “Menú Map/ New/ Contour
Map “
d) Exportación de los Mapas Isoyetas
Luego de obtener el mapa de isoyetas se procedió a hacer la
exportación y digitalización en AutoCAD en un archivo .DXF a través del
Menú “Map/ Export countours”
.
Factor de reducción por Área
Una vez obtenidas las isoyetas se procedió al cálculo del Factor de
Reducción por Área (FRA). Primeramente se elaboró una tabla en Excel
donde se especifica por columna la isoyeta media, el área entre isoyeta media,
el área por isoyeta, el área acumulada, la precipitación media y la relación
entre la precipitación media y la precipitación puntual. Este procedimiento se
realizó para cada uno de los tres meses más lluviosos.
35
El mes que presentó mayor FRA fue el mes de Octubre con un valor de
FRA=0,87. Cabe destacar que a partir del Anexo c, se realizaron gráficos que
permitieron obtener la ecuación característica de la curva reducción-Área, ubicándose
en el eje de las abscisas los valores de área en y en el eje de las ordenadas el
cociente de la precipitación media y la precipitación puntual. (Gráfico 1)
Gráfico 1. Curva reducción área para el mes de octubre. Fuente propia.2013
Selección del Período de Retorno
Debe prestarse especial atención a la determinación del caudal de creciente
pues es la base del diseño hidráulico del puente. Dicha determinación se hace de
acuerdo al proyecto específico teniendo en cuenta los siguientes criterios: tipo de
obra, vida útil de la obra, tiempo de retorno o frecuencia de la creciente, seguridad y
economía.
El diseñador de un puente siempre debe preguntarse qué resulta más
conveniente desde el punto de vista económico, ya sea para determinar cómo diseñar
y = -2E-05x2 - 0.0024x + 1.0385 R² = 0.9765
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 20 40 60 80 100
Pm
/PP
Area A.Km2
CURVA REDUCIÓN ÁREA MES DE OCTUBRE ESTACIÓN TORMENTA CUBIRO
CURVA REDUCIÓN ÁREAMES DE OCTUBREESTACIÓN TORMENTACUBIRO
Poly. (CURVA REDUCIÓNÁREA MES DE OCTUBREESTACIÓN TORMENTACUBIRO)
36
la estructura o para calcular el costo básico del puente, asociado a un riesgo de falla
especificado, Laursen (1970). El tiempo de retorno incide notoriamente en los costos,
por lo tanto, este valor depende de la importancia que la obra tiene dentro del
proyecto vial y del riesgo permisible. Para el diseño de puentes, se pueden justificar
períodos de retorno de 50 y 100 años (Tabla 2)
Tabla 2. Criterios de diseño generalizados para estructura de control de agua;
Fuente “Hidráulica aplicada- Ven Te Chow” pág.430
Curvas PDF e IDF
Para la estación tormenta se elaboró la curva de Precipitación
Duración Frecuencia (PDF), como También la curva Intensidad Duración
Frecuencia (IDF) Para la cual se procedió de la siguiente
manera:yhhggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg
1. Se tomaron los datos procedentes del Ministerio del Ambiente y Recurso
Naturales (M.A.R.N) correspondiente a las precipitaciones máximas, para
duraciones de lluvias de (30 min, 60 min, 120min, hasta 1440 min) y luego se
procedió a buscar la media y desviación estándar para cada duración.
37
2. Seguidamente, dichos datos fueron corregidos con papel semi-logarítmico,
ubicando en el eje horizontal la duración de la lluvia y en el eje vertical la
media y desviación estándar. (Figura 8)
Figura 8. Representación gráfica de la Media Y Desviación
Estándar para la estación Tormenta Cubiro. Fuente propia.
Tabla 3. Valores corregidos de Media y Desviación Estándar para las diferentes
duraciones de lluvia. Fuente propia.
3. Prueba de Bondad de ajuste Smirnov - Kolmogorov: teniendo los datos
corregidos es pertinente realizar una prueba de ajuste para chequear si los
datos seleccionados se ajustan a la probabilidad teórica que se pretende
utilizar. Esta prueba de ajuste consiste en comparar las diferencias, en valores
absolutos, entre probabilidad empírica y probabilidad teórica seleccionada. De
estas diferencias se toma el valor máximo, el cual se llama discrepancia
máxima calculada. Dicho valor se compara con el valor de la máxima
y = 10.1658ln(x) - 8.0613 R² = 0.9904
y = 2.977ln(x) - 1.0768 R² = 0.9697 0
10
20
30
40
50
60
70
1 10 100 1000 10000
Me
dia
y
Des
viac
ión
Est
ánd
ar
Duración en (min)
Media
Desviacion
Log. (Media)
Log. (Desviacion )
38
discrepancia permitida o valor crítico del estadístico Smirnov - Kolmogorov,
el cual es en función del número de datos y del nivel de confiabilidad
seleccionado. Para el caso en estudio se calculó la probabilidad teórica
utilizando Gumbel y un nivel de confiabilidad del 95%. Según los cálculos
obtenidos se pudo concluir que los datos analizados se ajustan a la
probablidad teórica seleccionada.ttftfytfytfytfytfytfutfutfuytfutfufuyguyguyy
4. Método Gumbel: La distribución de Gumbel es utilizada para modelar la
distribución del máximo (o el mínimo), por lo que se usa para calcular valores
extremos. La ecuación de Gumbel va en función del tamaño de la muestra
(N) y de los parámetros de la Ecuación (1):
(
) (1)
Donde,
: Valor de la variable correspondiente al período de retorno
: Media de la seria de datos
: Desviación estándar
, : Funciones de la longitud de la serie de datos.
39
Tabla 4. Gumbel.
Fuente: “Problemario de Hidrología aplicada a la Ingeniería Civil”. Livia O.
2003.
Haciendo uso de la tabla y según el número de datos (N), se procede a
seleccionar los parámetros . (Tabla 4). A su vez, también se obtiene el
valor de Y dependiendo del período de retorno como lo muestra la (Tabla 5).
Tabla 5. Valores de Yn y Sn para 18 números de datos. Fuente propia.
5. Una vez obtenidos todos estos parámetros se procede a calcular los valores de
las precipitaciones para cada uno de los períodos de retornos tomados en
consideración, haciendo uso de la ecuación de Gumbel. Este procedimiento se
realizará para cada una de las duraciones de lluvias propuestas anteriormente.
6. Finalmente se obtienen las curvas PDF graficando en el eje de las abscisas
valores de períodos de retornos y en el eje de las ordenadas los valores de las
40
precipitaciones obtenidas por la ecuación Gumbel. Esto se realizó para cada
una de las duraciones. (Figura 9)
Figura 9. Representación gráfica de la curva de Precipitación Duración Frecuencia
de la estación tormenta Cubiro. Fuente propia
7. Las curvas Duración-Intensidad-Frecuencia (IDF) se realizaron
transformando los datos de las precipitaciones para cada duración generadas
en una hora, ya que la intensidad se define como la cantidad de precipitación
recogida por unidad de tiempo. Generalmente la unidad de tiempo es la hora
(por lo tanto la unidad es en mm/h) (Figura 10)
0
50
100
150
200
250
0.00 2000.00 4000.00 6000.00 8000.0010000.0012000.00Pro
fun
did
ad e
n m
m
Tiempo de Retorno
Curva PDF Estación Tormenta Cubiro
24 Horas
12 Horas
9 Horas
6 Horas
3 Horas
2 Horas
1 Hora
30 minutos
41
Figura 10. Gráfica de las curvas Intensidad-Duración-frecuencia (IDF). Fuente
propia.
Tiempo de Concentración e Intervalo de Trabajo
Según Gustavo A. Silva Medina (1990), el tiempo de concentración (Tc) de
una cuenca se define como el tiempo que tarda una partícula de agua en llegar desde
el punto más alejado de la cuenca hasta el punto de salida. Una expresión para
estimar este tiempo es la ecuación de Kirpich. (Ec. 2)h0)dfhhfhhghhghghghghghghgg
(2)
Dónde,
L: Longitud del cauce principal (metros)
H: Diferencia altitudinal entre el punto más lejano y la salida
Tc: Tiempo de concentración (minutos)
Para la cuenca en estudio se obtuvieron los siguientes valores:
L = 53022m
H = 1183m
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Pre
cip
itac
ion
(mm
/ho
ra)
Duracion (min)
Curvas IDF Estación Tormenta Cubiro 50años
100años
Tr 50años
Tr100años
42
Haciendo aplicación de la ecuación de Kirpich se pudo obtener un valor para el
Tiempo de Concentración de 6.10 horas, por lo tanto se puede estimar una duración
de tormenta igual a 6 horas. En los parámetros de transformación de la lluvia-caudal
se tiene el Lag-Time (min), que es el tiempo de retardo y se define como el tiempo
transcurrido entre el centroide del hietograma y el centroide del hidrograma de
escorrentía y este es igual a 0.6*Tc. (Tabla 6)
Subcuencas Tc(min) Lag-time (min)
1 104.7 62.86
2 53.84 32.30
3 76.26 45.75
4 70.50 42.30
5 48.88 29.33
Tabla 6. Tiempo de concentración y Lag-time por cada subcuenca. Fuente propia.
2013
Seguidamente, se procedió a calcular intervalo de tiempo que tendrían los
hietogramas, para el cual se utilizó el concepto del intervalo de trabajo. (Ec. 3)
Se procederá de la siguiente forma:
(3)
Sabiendo que,
Finalmente,
El Intervalo de Trabajo es igual a 1.05 horas el cual se aproximó a 1 hora
43
Hietogramas de Precipitación
Para la elaboración de los hietogramas de diseño se utilizó el Método de los
Bloques Alternos. Con este método se supone un conjunto de intensidades obtenidas
para episodios de duración conocida, se distribuyen colocando el mayor valor en el
centro de la representación y a derecha e izquierda alternativamente el resto de los
valores ordenados en forma decreciente. Para ello se tomaron los datos de la estación
centro tormenta de Cubiro, seguidamente se calculó la precipitación en cada uno de
ellos, y se dedujo el valor de ΔP. Este ΔP se multiplica por el FRA= 0.87, de esta
forma se puede obtener la lluvia distribuida por toda la cuenca, ya que este sustituye
la distribución espacial por una lluvia uniforme de la cuenca. En la (Tabla 7) se
muestran los datos para el hietograma y en la (Figura 11) se observa el hietograma
con un Tr=100años. El mismo procedimiento fue aplicado para obtener el hietograma
de precipitación de 50 años de período de retorno.
Tabla 7. Datos para el hietograma para la estación Cubiro con Tr=100 años
Tiempo (Hrs) Tiempo (min) I(mm/h) P(mm) ΔP
1 60 76.41 76.41 76.41
2 120 44.50 88.99 12.59
3 180 32.43 97.30 8.30
4 240 25.91 103.66 6.36
5 300 21.77 108.87 5.22
6 360 18.89 113.33 4.46
ΔP ΔP*FRA
5.22 4.54
8.30 7.22
76.41 66.47
12.59 10.95
6.36 5.53
4.46 3.88
44
Figura 11. Hietograma estación Cubiro con un Tr=100 años.
El método de precipitación utilizado fue el de “Specified hyetograph”, donde
solo es necesario la creación de un pluviómetro por cuenca y la asignación por
subcuenca de una tormenta de proyecto.
3.3.2.3 Especificaciones de control (Control Specifications)
Las especificaciones de control fijan el tiempo de duración de cada corrida de
una simulación. La información en las especificaciones de control incluyen una fecha
de inicio, una fecha de finalización y el intervalo de tiempo de la simulación.
Para este caso se ingresó la fecha y hora de comienzo y fin del estudio. En
Time Interval se indica el incremento de tiempo para el que el programa tiene que
hacer los cálculos.
3.3.2.4 Datos de entrada
El método de cálculo que se usó en los tramos a transitar (líneas azules en el
esquema de la cuenca) es el método de Muskingum; para el tránsito de
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
1 2 3 4 5 6
Pre
cip
itac
ión
(mm
)
Duración (horas)
Hietograma Tr=100
45
Muskingum se usaron los parámetros K y X, mientras que las pérdidas se
calcularon por el método Loss (SCS Curve Number), el hidrograma usado
para calcular la lluvia fue el SCS unit hydrograph.
3.3.2.4.1 Curva Número
El Servicio de conservación de Suelos (SCS) de los Estados Unidos, ha
establecido los valores de CN en función del uso de la tierra y tipo de suelo,
para estandarizarlas se definió el número de curva, CN, tal que 0≤CN≤100.
Los valores de CN fueron obtenidos según las Condiciones
Antecedentes de Humedad (AMC), ubicándose en el grupo II (Tabla 8). Una
vez definida esta condición se procedió a clasificar el tipo de suelo, el cual se
divide en cuatro (4) grupos hidrológicos. La cuenca en estudio se ubicó en el
grupo C tal cual lo describe la (Tabla 9)
Tabla 8. Clasificación de clases de antecedentes de humedad
(AMC) para el Método de abstracciones de lluvia Del (SCS).
Fuente:”Chow Ven T.
Hidrología Aplicada. Bogotá McGraw-Hill Interamericanas S.A. 1994”.
153p.
46
Grupo Textura del suelo
A Arena profunda, suelos profundos
depositados por el viento, limos agregados.
B Suelos poco profundos depositados por el
viento, marga arenosa.
C Margas arcillosas, margas arenosas poco
profundas, suelos con altos contenidos de
arcilla
D Suelos expansivos, arcillas altamente
plásticas.
Tabla 9. Clasificación del tipo de suelo. Ingeniería Hidrológica. Nanía y Gómez.
Segunda edición. “La cuenca y los procesos hidrológicos”. 101p
A lo largo del cauce de la cuenca existe cierta diversidad en cuanto a la
vegetación y uso del suelo. De esta manera, para obtener mayor precisión en cuanto a
estimación de CN se procedió a asignar un valor a cada subcuenca tomando en cuenta
el uso del suelo y el grupo hidrológico establecido anteriormente. A lo largo de toda
la extensión de la cuenca hay una gran influencia de vegetación tipo bosque. En las
zonas más altas se evidencian áreas dedicadas a diferentes cultivos. Hacia la zona
media baja se observan praderas con vegetación herbácea abundante. Ya hacia la
zona más baja donde la morfología del terreno es una planicie, la vegetación
dominante es la tipo xerófila y matorral espinoso con diferentes áreas dedicadas al
cultivo. Una vez obtenida toda esta información se le asignó a cada subcuenca un
valor de CN (Tabla 11) según la clasificación de la (Tabla 10).
47
Tabla 10. Curva Número en función del Grupo Hidrológico del Suelo. Ingeniería
Hidrológica. Nanía y Gómez. Segunda edición. “La cuenca y los procesos
hidrológicos”. 100p
Subcuenca Área( ) CN
1 62.69 70
2 20.01 68
3 20.93 66
4 28.32 65
5 18.56 65
Tabla 11. Valores de áreas y CN por cada subcuenca. Fuente propia.
48
Estos valores de CN se utilizarán como parámetros para la modelación en
HEC-HMS, el cual ofrece la ventaja de asignar un valor por cada área de subcuenca.
3.3.2.4.2 Tránsito por el cauce
El procedimiento hidrológico más usado para transitar tramos de cauces es el
desarrollado por McCarthy (1938) conocido como Método de Muskingum. El método
usa una relación algebraica lineal entre el almacenamiento, las entradas y las salidas
junto con dos parámetros K y X (Tabla 12). Se considera que el almacenamiento
total en un tramo de río es directamente proporcional al promedio pesado de los
gastos de entrada y de salida del tramo, donde K es la constante de proporcionalidad,
llamada tiempo de almacenamiento, expresada en unidades de tiempo, y X es el
factor peso. El valor X es una constante que en teoría puede establecerse dentro de un
rango 0 ≤X ≤0.5, pero normalmente para cauces naturales se encuentra entre 0.20 y
0.30.
Tabla 12. Tabla de valores de Velocidad, K, X y CN utilizados como parámetros
para la aplicación del método de Muskingum. Fuente propia.
De esta manera, una vez calculados todos los parámetros necesarios
para los datos de entrada, se procederá a su introducción en el HEC-HMS a
través del Menú “Compute/Create simulation Run”.
SC vel(m/s) k(h) X CN
1 1.1 2.18 0.2 70
2 2.9 0.67 0.2 68
3 1.5 1.37 0.2 66
4 1.4 1.24 0.2 65
5 4 0.54 0.2 65
( ) 6.01
49
Una vez finalizada la corrida se pueden observar los resultados, el programa
nos proporciona los resultados de Caudal pico e hidrograma de la cuenca, para los
distintos periodos de retornos (50 y 100 años) de la Quebrada La Guardia (Figuras
12 y 13).
Figura 12. Hidrograma a la salida para un Tr=50 años. Fuente propia
50
Figura 13. Hidrograma a la salida para un Tr=100 años. Fuente propia.
Los caudales picos asociados a los diferentes períodos de retorno de la
Quebrada la Guardia son:
Quebrada La Guardia
Caudales
⁄
Tr=50 años Tr=100 años
231.2 289.1
Tabla 13. Caudales picos asociados a los diferentes períodos de retorno.
Fuente propia.
51
3.3.3 Metodología de la Modelación Hidráulica
Para la obtención de la modelación hidráulica, fue necesaria la utilización de
varios paquetes informáticos, nombrados a continuación:
ArcGis 10.0
Hec-GeoRAS 10.0
Hec-RAS 4.1
Iber 2.0.2
Para obtener los datos topográficos de la Quebrada, previamente fue necesario
realizar un levantamiento topográfico del cauce, para ello fue contratada la empresa
Asociación Cooperativa Acimut 90 RL, con la cual se realizó una visita al lugar
además de una inspección visual del terreno indicando específicamente los lugares de
interés. Posteriormente, la empresa suministró los planos en físico y digital, de las
curvas de nivel y de la información topográfica del lugar.
Mediante el uso del programa AutoCAD Civil 3D Land Desktop 2009, se creó
la superficie del terreno representada en curvas de nivel y puntos topográficos, así
como también se dibujó el alineamiento del Cauce principal, de los Bancos y las
secciones transversales del terreno espaciadas aproximadamente a cada 20m, esto con
el fin de suministrar los datos de entrada que se necesitan para el modelado.
3.3.3.1 Modelo Digital de Elevación en ArcGis
Se empleó el software ArcGIS, para la creación de un modelo digital de
elevación representativo de la superficie, el cual suministra toda la información del
terreno para IBER, importándolo directamente al programa, y para HecRAS a través
de HecGeoRAS, que es una extensión, específicamente diseñada para procesar datos
georeferenciados desde ArcGIS.
La extensión permite al usuario a través de un Sistema de Información
Geográfica (SIG) la creación de un archivo de importación para HEC-RAS que
52
contiene la data geométrica a partir de un modelo digital del terreno y la visualización
de resultados como mapas de inundación.
En el programa ArcGIS, se asigna un nombre al proyecto a crear
seleccionando desde menú File/Save as. Seguidamente se debe seleccionar el
sistema de coordenadas a emplear en el SIG y su datum las cuales serían UTM con
datum REGVEN (Venezuela), en el menú “View/Data Frame Properties”.
Como entrada para la creación del Modelo Digital de Elevación, se utilizó el
plano de curvas de nivel y de puntos topográficos realizado en AutoCAD Civil 3D
Land Desktop 2009, cada uno en un archivo separado.
Se selecciona los elementos a agregar, en el caso de curvas de nivel, solo
“polyline” y en el caso de puntos “Points”, por medio del menú File/Add Data/Add
data
De tal modo, se crea el modelo digital de elevación en formato TIN a través
del menú “Geoprocessing/ArcToolbox/ 3D Analyst Tools/TIN Management/Create
TIN” (Figura 14).
53
Figura 14. Representación del Modelo Digital de Elevación. Fuente
propia.
Archivo de intercambio para Hec-RAS
Seguidamente con los archivos creados del alineamiento del cauce principal
del río, los bancos, y las secciones transversales que se emplearán en el modelo, se
agrega la data en ArcGis y comienza la creación del archivo de intercambio con Hec-
RAS. (Figura 13)
54
Figura 15. Importe del alineamiento del cauce, los bancos y las secciones
transversales. Fuente propia.
Posteriormente se realiza la creación de las capas que contendrán los
elementos de Hec-RAS. Cada una de estas capas, debe ser digitalizada,
seleccionándolas una a una, a través del menú “RAS-Geometry/ Create Layer
Setup”. (Figura 14)
Figura 16. Digitalización de las Capas en el MDE. Fuente propia.
55
En el caso del alineamiento del Cauce principal y de las secciones
transversales, ArcGIS permite asignarle una serie de atributos, lo que a su vez permite
verificar si la digitalización fue bien hecha, ya que en caso contrario mostrará una
ventana indicando que uno de los atributos no se pudo asignar correctamente. La
asignación de estos atributos se hizo a través de los Menús “Ras Geometry/ Stream
Centerline Attributes/All”
Para los datos correspondientes al Uso del Suelo, se debe asignar el
coeficiente de rugosidad de Manning el cual es igual para la margen izquierda, la
margen derecha y el centro del cauce, por lo que se asignó el mismo Manning en toda
la Superficie.
El valor del coeficiente de Manning no es conocido, de tal forma se calcula
(Ec. 4) aplicando el Método de Cowan haciendo uso de la (Tabla 14):
( ) (4)
Tabla 14. Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad Manning.
Fuente:”Chow Ven T.”
Hidráulica de Canales Abiertos. Método de Cowan.
56
Según la inspección realizada, las características seleccionadas para el terreno
de la Quebrada son:
( )
Se crea el mapa de Uso del Suelo y de igual forma se digitaliza, en este caso,
mediante polígonos. En la ventana Attributes, se ingresa el valor del coeficiente de
Manning al polígono creado, para después asignarlo a las secciones transversales
mediante el Menú “RAS Geometry/ Manning’s n Values/ Extract n Values”
(Figura 17)……………………………………………………………………………..
Figura 17. Asignación del coeficiente de Manning al modelo digital.
Fuente propia
57
Finalmente, se crea el archivo de intercambio con Hec-RAS. Para ello se asigna un
nombre al archivo y la ubicación correspondiente mediante el Menú “RAS
Geometry/Export RASData”.
3.3.3.1.1 Modelación en Hec-RAS
Para desarrollar el modelo hidráulico de un cauce mediante el paquete
informático HEC-RAS 4.1.0, es necesario introducir tanto Datos Geométricos como
Datos Hidráulicos. Esto permite la creación de un plan que ejecuta la simulación
requerida y posteriormente genera los resultados generales o detallados del tramo de
río especificado.
3.3.3.1.2 Datos geométricos
Inicialmente se crea un nuevo Proyecto, colocando nombre y destino. Para
ingresar los datos geométricos del terreno se procedió a importa el archivo creado
anteriormente en ArcGIS a través del Menú “Edit/Geometric Data/ File/Import
Geometry Data/GIS Format”
3.3.3.1.3 Datos Hidráulicos
Se ingresan los datos correspondientes al flujo y las condiciones de borde,
estos datos van a depender del tipo de flujo (permanente, cuasi no permanente o no
permanente). Para este caso, se trabajará bajo la hipótesis de flujo permanente.
Datos de Caudal
Se ingresan los caudales picos obtenidos del estudio hidrológico realizado
previamente a través del programa HecHMS, para un periodo de retorno
de 50 y 100 años, periodos recomendados para estudios de puentes.
58
Condiciones de Contorno
Dentro de las posibilidades existentes, para la condición aguas arriba, se
seleccionó Profundidad normal (Normal Depth), asumiendo la pendiente
de la línea de energía igual a la pendiente de fondo. (Ec. 5)
(5)
Dónde:
Diferencia de cota entre secciones
Longitud del tramo entre secciones
- Sección 731.5024 y 678.2728
Para la condición aguas abajo, se seleccionó igualmente profundidad normal,
pero en este caso se ingresaron cuatro valores diferentes de pendiente de la línea de
energía, para de esta manera definir la condición de borde más adecuada en función
de los resultados que se obtengan. El análisis se detallará en el Capítulo IV.
Condición 1: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del
fondo del cauce aguas abajo.
Condición 2: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
inicial aguas arriba de la Quebrada.
Condición 3: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del
fondo del cauce inmediatamente aguas arriba del puente.
59
Condición 4: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
promedio entre y .
3.3.3.1.4 Datos del Puente
En este caso se ingresaron los datos de cada puente, es decir, del puente que se
encuentra actualmente en funcionamiento y del proyecto de reconstrucción.
Ingreso de características geométricas del puente
Se ubicaron las secciones entre las cuales están ubicados los puentes y se agregaron
las dos estructuras a través del Menú “Geometric Data/ Edit and/or create Bridges and
culverts / Options / Add a bridge and/or Culvert”. De la misma forma se hizo con los
estribos, trablero y pilas del puente.
Una vez ingresados estos datos, se observará en pantalla de la ventana de
editor de datos de puente, con las características de cada uno de los puentes. (Figuras
18 y 19)
60
Figura 18. Modelo digital del puente en reconstrucción en Hec-RAS. Fuente propia.
Figura 19. Modelo digital del puente en funcionamiento en Hec-RAS. Fuente propia
La rutina de cálculo del puente utiliza cuatro secciones transversales (Figura
20), las cuales permiten realizar una buena predicción y calculo de las perdidas de
energía, expansión y contracción. Dichas secciones fueron levantadas directamente
del plano con la topografía del terreno.
61
Figura 20. Ubicación de las secciones transversales en las cercanías de un puente.
Fuente: “Manual de Usuarios HecRAS v4.1”. U.S Army Corps of engineers, 2010.
La sección 2 fue levantada a una distancia d=0.5m , medida desde el borde de las
aletas hacia aguas abajo del puente, así mismo la sección 3 se levantó a una distancia d=0.5m
aguas arriba del puente. Mientras que las secciones 1 y 4, a una distancia Le y Lc
respectivamente. (Ec. 6)
(6)
Finalmente, se ingresan las áreas inefectivas las cuales se colocan en las secciones 2
y 3 del puente, usando para su ubicación una relación 1:1de la distancia del puente a la
sección transversal. (Figura 21)
62
Figura 21. Ingreso de áreas inefectivas del puente. Fuente propia
3.3.3.1.5 Simulación del modelo
Luego de introducir todos los datos requeridos se procedió a la corrida del
modelo. Se creó un plan donde se especificó el archivo geométrico y el de flujo
mediante el Menú “Run/SteadyFlow Analysis”
3.3.3.2 MODELACIÓN IBER
Para la modelación hidráulica mediante el paquete informático IBER 2.0.2, se
utilizaron dos métodos para el mallado de la superficie o modelo digital de elevación
realizado mediante ARCGIS, esto se realizó con la finalidad de conseguir el mallado
más apropiado, dadas las condiciones de la topografía del terreno.
3.3.3.2.1 Datos Geométricos
Geometría para Malla Estructurada
Para la realización de una malla estructurada, requiere que el modelo
digital de elevación se encuentre de manera triangulada para posteriormente
ser exportado en formato Shapefile. Esto se realiza a través del Menú
“Geoprocessing/ArcToolbox/ 3D Analyst Tools/Conversion/From TIN/TIN
Triangle”. (Figura 22)
63
Figura 22. Modelo TIN Triangle generado
Una vez generado el Modelo TIN se procede a la exportación de datos a través
del Menú “Data/Export Data”.
Seguidamente se procede a realizar la importación del TIN Triangle desde el
software Iber a través del Menú “Archivo/Importar/Shapefile” (Figura 23)
Figura 23. Modelo TIN Triangle generado en Iber. Fuente propia.
64
Posteriormente se colapsa la geometría para eliminar la duplicidad de las
líneas con superficies vecinas comunes por medio del Menú “Geometría/ Edición/
Colapsar/ Superficies”. (Figura 24)
Figura 24. Superficies seleccionadas para el colapso de la geometría. Fuente propia.
Geometría para Malla no Estructurada
La creación de una malla no estructurada, requiere que el modelo digital de
elevación se encuentre en formato ASCII, en un archivo de extensión .txt. Para ello,
trabajando con ArcGIS se creó un raster de la superficie a través del Menú
“ArcToolbox/ 3D Analyst Tools/ Conversion/ From TIN/ TIN to Raster”
Se selecciona el modelo digital previamente creado como TIN, el nombre
del archivo de salida y entre los parámetros opcionales, se colocó en distancia de
muestreo, la opción Cell Size o tamaño de la celda, en donde se seleccionó un valor
de 0.5m para que las muestras puedan reconocer las pilas de los puentes cuyo ancho
es de 1m.
65
Figura 25. Raster generado. Fuente propia
El Raster obtenido, se selecciona como entrada y se convierte en formato
ASCII para ser exportado como un archivo de extensión .txt., asignando un nombre
para el archivo de salida mediante el Menú “ArcToolbox/ Conversion Tools/ From
Raster/ Raster to ASCII” (Figura 25)
En IBER, Inicialmente se debe guardar el proyecto. Para crear el archivo de
trabajo e importar el modelo, esto se realiza a través del Menú “Archivo/Guardar
Como/Nombre del Proyecto”
Se importa la superficie, mediante la creación de un fichero RTIN. Donde se
selecciona el archivo ASCII del raster, en formato txt. Y se indican los valores
66
máximo y mínimo de los triángulos que se formaran en la RTIN. Esto se realiza a
través de la opción “Herramientas Iber/ RTIN/ Crear RTIN”
Se crea el fichero, e inmediatamente el programa arroja una ventana en donde se le
debe indicar si se desea colapsar la superficie. Se seleccionó la respuesta afirmativa, ya que
esta opción permite, eliminar todas aquellas líneas que se encuentren repetidas entre las
superficies vecinas de los triángulos. (Figura 26)
Figura 26. Superficie triangulada en formato RTIN. Fuente propia.
3.3.3.2.2 Datos Hidrodinámicos
Para el proceso hidrodinámico, el programa resuelve ecuaciones diferenciales
hidrodinámicas considerando las direcciones X y Y del flujo. Para la solución de éstas, el
programa requerirá de datos iniciales aportados por el usuario, ya que para la solución de
ecuaciones diferenciales se requiere condiciones iniciales y de frontera.
67
Condiciones de Contorno
Para que las ecuaciones de aguas bidimensionales estén bien planteadas desde el
punto de vista matemático, el número de condiciones a imponer en los contornos abierto
depende de si se trata de un contorno de entrada o de salida de flujo, así como del tipo de
régimen en el contorno (rápido/lento). (Figura 25)
Tabla 15. Cuadro resumen de las condiciones de contorno disponible en Iber.
Fuente propia.
Condiciones de Entrada
Se asignan las condiciones de Entrada 2D, asignando de Entrada Caudal
Total, Q=232.1 (m3/s) para el caso de TR= 50 años y Q= 289.1 (m
3/s) para TR=
100años. Se realizarán corridas con dos condiciones de borde a la entrada entre las
cuáles se tiene: Crítico/Subcrítico y Supercrítico, se asignará el caudal para un
68
tiempo inicial igual a cero (0). Es importante resaltar que se definirá la condición más
idónea según los resultados que se obtengan, dicho análisis estará reflejado en el
capítulo IV.
Se procederá a través del Menú “Datos/Hidrodinámica/ Condiciones de
Contorno”. (Figura 27)
Figura 27. Asignación de las condiciones de contorno en la entrada. Fuente
propia
Al presionar Asignar, se seleccionan las caras externas de los triángulos que
serán la frontera o contorno hidrodinámico, para ello se debe tener precaución se no
seleccionar lado internos a la malla.
Condiciones de Salida
De forma análoga, se asignan las condiciones de salida, en este caso se
evaluaron 4 opciones: una con condición “Supercrítico/Crítico” y las tres
restantes “Subcrítico” con niveles de agua constante para tres pendientes de
69
la línea de energía subcríticas diferentes y suponiendo flujo uniforme. De esta
manera se definirá la condición de borde más adecuada en función de los
resultados que se obtengan. El análisis será ampliado en el cap IV.
La condición Supercrítico/Crítico no requiere ingresar datos
adicionales. (Figura 28)
Figura 28. Asignación de condición de flujo Supercrítico/Crítico. Fuente propia
Para la condición de Subcrítico, se seleccionó un nivel de agua
constante para la duración de corrida. (Figura 29)
Figura 29. Asignación de condición de flujo Subcrítico para un nivel de agua
constante. Fuente propia
70
Condiciones Iniciales
Las condiciones iniciales deben ser asignadas a todo el dominio y se puede
seleccionar entre asignar un calado o una cota de agua. Se asignó a toda la superficie,
Calado (m) = 0 (Figura 30). Se procede mediante el Menú
“Datos/Hidrodinámica/Condiciones Iniciales”.
Figura 30. Asignación de calado de cero (0) metros a toda la superficie. Fuente
propia
Datos de Rugosidad
Se le asigna a toda la superficie el coeficiente de Rugosidad de Manning,
calculado por el método de Cowan. N= 0.044 (Figura 31). Se procederá mediante el
Menú “Datos/ Rugosidad/ Uso del Suelo”
71
Figura 31. Asignación del coeficiente de Manning a utilizar en la superficie. Fuente
propia
Generación de Malla de Cálculo
Malla Estructurada
Para generar la malla estructurada se selecciona toda la superficies, y se
coloca Número de divisiones =1 a través del Menú “Malla / Estructurada
/Superficies/ Asignar número de divisiones.”
Finalmente, se obtendrá la malla generada presionando menú
“Malla>Generar malla>Aceptar”. (Figura 32)
72
Figura 32. Malla estructura. Proveniente de TIN Triangle. Fuente propia
Malla No Estructurada
Este tipo de mallas, se adapta muy bien a cualquier geometría ya que no
requiere de una organización y disposición especifica de sus elementos. Se le asigna
un tamaño a la superficie el cual entre menor sea, más precisión tendrá la malla. Esto
se realiza a través del Menú “Malla/ No estructurada / Asignar tamaño a
superficies”
Finalmente, se genera la malla y se muestra en pantalla la visualización de la
malla creada mediante el Menú “Malla/ Generar Malla” (Figura 33)
73
Figura 33. Malla no estructurada generada. Fuente propia.
3.3.3.2.3 Datos de la Corrida
. Como el proceso esta representado mediante ecuaciones diferenciales
hidrodinámicas, al ingresar una condición inicial y de frontera, el proceso busca responder
ante esta variación. Mientras el proceso responde, se mostrará un estado inestable a la salida.
Una vez alcanzado la estabilidad, es que se pueden considerar los resultados como correctos.
Al observar el comportamiento de la modelación, se fijó como tiempo máximo de
simulación 1hora, tiempo en el cual ya el proceso alcanzó su estabilidad. A su vez, se decidió
muestrear resultados cada 2min para observar la evolución del proceso en el tiempo. Se
procede a través del Menú “Datos/ Datos del Problema/ Parámetros de Tiempo”
74
Figura 34. Parámetros de tiempo a considerar para la simulación. Fuente propia.
Finalmente se concluye el pre proceso, iniciando la corrida del modelo . Esta
corrida puede ser monitoreada, para verificar su evolución a través de la ventana Ver
información del Proceso a través de la opción “Calcular/ Calcular”
.
75
CAPITULO IV
ANALISIS DE RESULTADOS
Una vez realizada la recolección de la información topográfica, mediante el
levantamiento topográfico y las visitas de inspección realizadas para verificar las
condiciones actuales del puente, se trabajó en la realización de un modelo digital de
elevación que representara la superficie del terreno, mediante el uso de ArcGIS, lo
cual fue de utilidad para desarrollar la geometría tanto en el modelo unidimensional
como en el bidimensional. Así mismo, se realizó el estudio hidrológico de la cuenca y
mediante el programa HEC HMS, se obtuvo el caudal para los periodos de retorno de
50 y 100años, necesario para los datos de hidrodinámica de los modelos.
Al recopilar estos datos, se realizaron las corridas con los paquetes
informáticos HEC RAS 4.1.0 e IBER 2.02, donde cada uno mostró resultados, a
través de tablas y gráficas representativas.
4.1 RESULTADOS MODELACIÓN HEC RAS
Al concluir la corrida con éxito y obtenida la mancha de inundación en
ArcGIS, se chequeó inicialmente el resumen de errores, advertencias y notas arrojado
por HecRAS. De allí se obtuvo la siguiente advertencia:
4.1.1 Sección 0.34924 (Última sección Aguas Abajo)
Slope too steep for slope area to converge during supercritical flow
calculations (normal depth is below critical depth). Water surface set to critical depth.
76
Esta advertencia surge porque el régimen que viene de la sección aguas arriba
es subcrítico pero la pendiente de esta sección es supercrítica. El problema está en
querer imponer flujo uniforme cuando la Quebrada no tiene capacidad de
desarrollarlo, en una distancia tan corta (Menos de 50m).
Hidráulicamente no hay una solución posible para que la condición de borde
sea régimen supercrítico, por consiguiente al querer imponerle una condición de flujo
uniforme el programa la lleva a la crítica.(Figura 35) Esto debido a que con el nivel
de agua que se tiene en esta sección, no es posible cambiar a régimen supercrítico. La
profundidad normal esta por encima de la crítica por lo cual la condición aguas abajo
obligatoriamente tiene que ser subcrítica. .
Como se desconoce a ciencia cierta el valor de esta profundidad, entonces se
debe buscar una alternativa para solucionar este problema. Del Manual Básico de
usuario IBER (2012), se tiene la siguiente nota: “Ante un desconocimiento detallado
de las condiciones de contorno, una buena alternativa suele ser ampliar el dominio lo
suficientemente lejos de la zona de interés, e imponer régimen crítico”. En tal
sentido, se hizo un análisis de sensibilidad de la pendiente, para determinar como
influye la condición de borde aguas abajo en los resultados que se están obteniendo,
esto se puede observar en las figuras a continuación:
77
Condición 1: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del fondo
del cauce aguas abajo.
Figura 35. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .)
Condición 2: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
inicial aguas arriba de la Quebrada.
Figura 36. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .)
0 100 200 300 400 500 600 700 800690
692
694
696
698
700
702
704
706
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 11/06/2014
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)Legend
WS TR=100
Crit TR=100
WS TR=50
Crit TR=50
Ground
Guardia Guardia
0 100 200 300 400 500 600 700 800690
692
694
696
698
700
702
704
706
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 11/06/2014
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
WS TR=100
WS TR=50
Crit TR=100
Crit TR=50
Ground
Guardia Guardia
78
Condición 3: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del fondo
del cauce inmediatamente aguas arriba del puente.
Figura 37. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( )
Condición 4: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
promedio entre 1 y 3.
Figura 38. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( )
0 100 200 300 400 500 600 700 800690
692
694
696
698
700
702
704
706
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 11/06/2014
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
WS TR=100
WS TR=50
Ground
Guardia Guardia
0 100 200 300 400 500 600 700 800690
692
694
696
698
700
702
704
706
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 09/06/2014
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
WS TR=100
WS TR=50
Ground
Guardia Guardia
79
La condición 1, muestra como el programa ajusta aguas abajo la altura crítica,
posteriormente en las condiciones 2, 3 y 4, cada una de ellas con pendientes
subcríticas, se observa que esta variación en la pendiente, modifica la cota del agua
en el extremo aguas abajo, para cada condición se tiene un nivel diferente de agua a la
salida. Evaluando los resultados en el resto de las secciones, se pudo apreciar que
solamente en las dos últimas secciones existen variaciones, manteniéndose
exactamente igual el resto de los resultados.
Este resultado, permite concluir, que como la condición de frontera aguas
abajo afecta únicamente las dos últimas secciones, y como no se tiene certeza de
dicha condición, se impondrá régimen crítico y el dominio de los resultados se tomará
a partir de 49.50m de distancia del extremo aguas debajo de la Quebrada.
Seguidamente se muestran estos resultados en la (Tabla 16)
Estación C. Terreno (m) C. Agua(m) C. Agua (m) C. Agua (m) C. Agua (m) S1= 0.038 S2= 0.015 S3= 0.0085 S4= 0.023
731.5024 703 704.54 704.54 704.54 704.54
696.3284 702.51 703.72 703.72 703.72 703.72
678.2728 702.2 703.65 703.65 703.65 703.65
657.1379 702 703.51 703.51 703.51 703.51
634.1965 701.86 703.41 703.41 703.41 703.41
614.0984 701.94 703.2 703.2 703.2 703.2
598.2397 701.18 703.1 703.1 703.1 703.1
579.0168 701.49 702.95 702.95 702.95 702.95
558.5284 701 702.83 702.83 702.83 702.83
537.364 701 702.68 702.68 702.68 702.68
515.7289 700.87 702.49 702.49 702.49 702.49
495.374 700.28 702.1 702.1 702.1 702.1
474.7706 699.5 701.86 701.86 701.86 701.86
454.531 699.21 701.84 701.84 701.84 701.84
434.402 699.03 701.75 701.75 701.75 701.75
413.0248 699.33 701.69 701.69 701.69 701.69
392.9394 699.02 701.63 701.63 701.63 701.63
359.0286 698.75 701.55 701.55 701.55 701.55
337.6517 698.75 701.34 701.34 701.34 701.34
80
311.3074 698.48 701.28 701.28 701.28 701.28
284.9428 698.25 701.22 701.22 701.22 701.22
258.0285 698 701.1 701.1 701.1 701.1
236.6294 697.93 700.73 700.73 700.73 700.73
218.6653 697.79 699.88 699.88 699.88 699.88
198.2999 697.65 699.66 699.66 699.66 699.66
181.2276 697.49 699.55 699.55 699.55 699.55
162.7824 696.74 698.31 698.31 698.31 698.31
137.7065 695.5 696.47 696.47 696.47 696.47
135.1716 694.23 695.58 695.58 695.58 695.58
122.7889 694.25 695.77 695.77 695.77 695.77
110.8236 694.06 695.38 695.38 695.38 695.38
108.2722 692.97 695.33 695.33 695.33 695.33
94.92109 693 695.19 695.19 695.19 695.19
77.68709 692.57 695.09 695.09 695.1 695.1
75.13171 692.34 695.12 695.12 695.14 695.13
62.30841 691.96 695.04 695.04 695.07 695.05
49.95755 691.54 694.9 694.9 694.92 694.9
21.68738 691.5 694.24 694.21 694.4 694.13
0.34924 690.7 693.45 693.94 694.25 693.64
Tabla 16. Comparación Cota de agua para diferentes pendientes.
Por otra parte, en el resumen se obtuvo en varias secciones, la siguiente nota:
4.1.2 Secciones 77.68709 y 122.7889 (Ubicadas a 26.36m y 51.95m
respectivamente del puente en construcción)
Hydraulic jump has occurred between this cross section and the previous
upstream section.
Se observa que los resaltos se forman aguas abajo del puente en construcción
y al pasar por la estructura disipadora de energía, por lo que se concluye que las
estructuras cumplen la función para la cual fueron diseñadas que no es más que
81
disminuir la velocidad del flujo y contrarrestar los efectos erosivos que allí se
presentan.
Posteriormente, se observaron los resultados de la corrida de distintas
maneras. Gráficamente, se obtuvo la representación del Perfil longitudinal, Secciones
transversales, y en general de distintos parámetros tales como: la velocidad y el
número de Froude, en función de la distancia recorrida longitudinalmente. Así mismo
se obtienen los valores tabulados de cada una de estas variables, para los distintos
periodos de retorno.
4.1.3 COTAS DE AGUA
Las cotas de agua obtenidas a lo largo de la Quebrada, oscilan en un rango
entre 704.54m y 694.9m (Periodo de retorno de 50 años), y entre 704.71m y 695.28m
(Periodo de retorno de 100años). Las profundidades de agua mayores, están ubicadas
inmediatamente aguas arriba del puente en funcionamiento, mientras que las menores
se producen justo aguas abajo de este, cuando comienzan los escalones, donde se
tienen cambios de pendiente pronunciados. Seguidamente se observan alturas de agua
similares a las encontradas aguas arriba del puente, en donde se mantiene un régimen
subcritico.
Analizando, las alturas de aguas resultantes en las secciones de los puentes, se
tiene:
Puente en Funcionamiento
Para el período de retorno 50años, la altura de agua es de 3.1m en la cara
aguas arriba del puente, mientras que para el período de retorno 100años se obtuvo
una diferencia de 3.48m. (Figura 39) Por otro lado, para la cara aguas abajo del
puente se obtuvieron valores de 2.04m y 2.27m para los períodos de retorno 50 y
100años respectivamente. (Figura 40)
82
Puente en Construcción
En cuanto al puente en construcción los niveles obtenidos para la cara aguas
arriba son de 2.07m y 2.3m para los períodos de retorno 50 y 100años
respectivamente. (Figura 40) A su vez, para la cara aguas abajo los valores obtenidos
fueron de 1.54m y 1.69m para los períodos de retorno 50años y 100 años. (Figura 41)
Figura 39. Sección Aguas Arriba Puente en Funcionamiento (227.65).
Figura 40. Sección Aguas Abajo Puente en Funcionamiento (227.65).
0 20 40 60 80 100 120697
698
699
700
701
702
703
704
705
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Station (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG TR=100
EG TR=50
WS TR=100
WS TR=50
Crit TR=100
Crit TR=50
Ground
Bank Sta
.059
0 20 40 60 80 100 120697
698
699
700
701
702
703
704
705
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Station (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG T R=100
EG T R=50
WS TR=100
WS TR=50
Cri t T R=100
Cri t T R=50
Ground
Levee
Bank Sta
.059
83
Figura 41. Sección Aguas Arriba Puente en Construcción (172).
Figura 42. Sección Aguas Abajo Puente en Construcción (172).
4.1.4 VELOCIDADES
Las velocidades resultantes, se encuentran entre 2.67 y 1.35 m/s a lo largo del
cauce, sin embargo, en las secciones posteriores a cada puente, se observan
velocidades por encima de este rango. Precisamente, la velocidad máxima en el cauce
se presenta aguas abajo del puente en construcción donde se produce el resalto
hidráulico, arrojando valores de velocidades de 5.18 m/s y 5.43m/s para los períodos
0 20 40 60 80 100 120697
698
699
700
701
702
703
704
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Station (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG T R=100
EG T R=50
WS TR=50
WS TR=100
Cri t T R=100
Cri t T R=50
Ground
Levee
Bank Sta
.059
0 20 40 60 80 100 120696
697
698
699
700
701
702
703
704
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Station (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG TR=100
EG TR=50
WS TR=50
Crit TR=100
Crit TR=50
WS TR=100
Ground
Bank Sta
.059
84
de retorno de 50años y 100años respectivamente. Estos máximos se observan como
picos en la gráfica de velocidad en función de la distancia recorrida
longitudinalmente en la Quebrada. (Figura 43)
A su vez, el rango de las velocidades mayores se encuentra en los puntos
aguas abajo del puente donde el flujo es supercrítico. También se puede apreciar
aguas arriba del puente, que las velocidades van disminuyendo, y luego se mantiene
oscilando en un rango similar, exceptuando ciertas secciones donde se observan
cambios en forma de picos, esto ocurre a aproximadamente 21.5m del puente en
operación.
Puente en Funcionamiento
Aguas arriba del puente en funcionamiento se tienen velocidades de 2.67 y
2.89m/s, además que para aguas abajo se tienen velocidades de 3.58 y
3.96m/s. En ambos casos para un periodo de retorno de 50 y 100 años
respectivamente.
Puente en Construcción
Aguas arriba del puente construcción se tienen velocidades de 1.88 y 1.90m/s,
además que para aguas abajo se tienen velocidades de 2.98 y 3.19m/s. En
ambos casos para un periodo de retorno de 50 y 100 años respectivamente.
85
Figura 43. Gráfico Velocidades Vs Distancia Longitudinal.
4. 1. 5 NUMERO DE FROUDE
Cuando el número de Froude es menor que uno (F<1), se tiene un Flujo
Subcrítico y cuando el número de Froude es mayor que uno (F>1) es Flujo
Supercrítico. Se encontró un número de Froude menor a uno, solo en las secciones:
162.7824 (Ubicada a 3.79m del puente)
137.7065 (Ubicada a 34.65m del puente)
135.1716 (Ubicada a 27.72m del puente)
110.8236 (Ubicada a 38.94m del puente)
0 200 400 600 8000
1
2
3
4
5
6
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Main Channel Distance (m)
Ve
l Left (m
/s), V
el C
hnl (m
/s),
Ve
l Rig
ht (m
/s)
Legend
Vel Chnl TR=100
Vel Chnl TR=50
Vel Right TR=100
Vel Right TR=50
Vel Left TR=100
Vel Left TR=50
Guardia Guardia
86
Donde se observa, que las cuatro secciones están ubicadas justo aguas abajo
del puente en construcción, el resto de las secciones presentaron régimen subcrítico.
Este comportamiento se mantuvo tanto para Tr =100 años y como para Tr = 50 años.
(Figura 44)
Figura 44. Vista en planta Secciones Transversales con Flujo Supercrítico.
Según los resultados obtenidos, en el gráfico Número de Froude en función de
la distancia longitudinal, se observan valores máximos de 1.87 y 1.81 para los
períodos de retorno de 50años y 100años respectivamente, clasificándose de esta
manera como régimen supercrítico. También se puede observar un comportamiento
87
bastante similar menor que uno para ambos períodos de retorno en el resto del cauce
sin presentar variaciones que se puedan considerar apreciables.
Figura 45. Número de Froude en función de la distancia longitudinal
En líneas generales, se precisan en las tablas 17 y 18 que contienen el resumen
de los resultados de cada uno de los parámetros mencionados, lo largo de las
secciones del cauce. De allí se puede correlacionar las variables tal como se evidencia
en los gráficos 1 y 2, en donde se puede comparar el comportamiento de cada una, a
mayores pendientes se observan mayores velocidades y numero de Froude y
viceversa. Ciertamente, este comportamiento es el que caracteriza los tipos de
regímenes, el caso súper crítico se evidencia cuando las pendientes son mas
pronunciadas, las velocidades son mayores y el número de Froude es mayor que uno
y en el caso contrario, el subcritico se presenta en pendientes suaves donde las
velocidades son menores y el número de Froude es menor a uno.
0 200 400 600 8000.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 6/8/2014
Main Channel Distance (m)
Fro
ud
e #
Ch
l , F
roud
e #
XS
Legend
Froude # XS TR=100
Froude # Chl TR=100
Froude # XS TR=50
Froude # Chl TR=50
Guardia Guardia
88
Sección C. Terreno(m) C. Agua (m) Pendiente E.G. (m/m) Velocidad (m/s) # Froude
731.5024 703 704.54 0.029233 2.82 0.92
696.3284 702.51 703.72 0.023163 2.3 0.8
678.2728 702.2 703.65 0.00565 1.41 0.42
657.1379 702 703.51 0.00659 1.49 0.45
634.1965 701.86 703.41 0.004311 1.25 0.37
614.0984 701.94 703.2 0.011356 1.73 0.57
598.2397 701.18 703.1 0.006061 1.5 0.43
579.0168 701.49 702.95 0.006968 1.63 0.47
558.5284 701 702.83 0.005615 1.54 0.42
537.364 701 702.68 0.006574 1.66 0.46
515.7289 700.87 702.49 0.008236 1.84 0.51
495.374 700.28 702.1 0.016771 2.5 0.72
474.7706 699.5 701.86 0.011165 2.27 0.6
454.531 699.21 701.84 0.00362 1.56 0.36
434.402 699.03 701.75 0.004266 1.63 0.38
413.0248 699.33 701.69 0.002811 1.45 0.32
392.9394 699.02 701.63 0.003115 1.48 0.34
359.0286 698.75 701.55 0.002246 1.32 0.29
337.6517 698.75 701.34 0.008035 2.01 0.52
311.3074 698.48 701.28 0.003382 1.49 0.35
284.9428 698.25 701.22 0.002346 1.35 0.3
258.0285 698 701.1 0.003515 1.61 0.36
236.6294 697.93 700.73 0.009975 2.67 0.6
218.6653 697.79 699.87 0.028577 3.59 0.96
198.2999 697.65 699.64 0.014581 2.52 0.69
181.2276 697.49 699.56 0.006534 1.75 0.46
162.7824 696.74 698.28 0.039405 2.98 1.01
137.7065 695.5 696.49 0.069893 4.1 1.39
135.1716 694.23 695.58 0.132294 5.18 1.87
122.7889 694.25 695.77 0.025826 3.14 0.9
110.8236 694.06 695.38 0.034222 3.26 1.01
108.2722 692.97 694.46 0.125115 4.93 1.81
77.68709 692.57 694.95 0.008146 2.2 0.53
75.13171 692.34 694.99 0.004425 1.83 0.4
62.30841 691.96 694.89 0.004709 2 0.42
Tabla 17. Resultados del perfil longitudinal. Periodo de retorno 50años.
89
Sección C.Terreno(m) C. Agua (m) Pendiente E.G. (m/m) Velocidad (m/s) # Froude
731.5024 703 704.64 0.034192 3.19 1
696.3284 702.51 703.88 0.020308 2.41 0.77
678.2728 702.2 703.83 0.005533 1.53 0.42
657.1379 702 703.7 0.006334 1.6 0.45
634.1965 701.86 703.61 0.004154 1.35 0.37
614.0984 701.94 703.41 0.009607 1.76 0.53
598.2397 701.18 703.32 0.005589 1.59 0.43
579.0168 701.49 703.18 0.006458 1.72 0.46
558.5284 701 703.07 0.005283 1.64 0.42
537.364 701 702.92 0.006132 1.76 0.45
515.7289 700.87 702.74 0.00757 1.92 0.5
495.374 700.28 702.39 0.015094 2.51 0.69
474.7706 699.5 702.17 0.010106 2.33 0.58
454.531 699.21 702.15 0.003493 1.67 0.36
434.402 699.03 702.06 0.003955 1.73 0.38
413.0248 699.33 702.01 0.002815 1.56 0.33
392.9394 699.02 701.95 0.00298 1.58 0.34
359.0286 698.75 701.88 0.002208 1.43 0.29
337.6517 698.75 701.68 0.006816 2.04 0.49
311.3074 698.48 701.63 0.003075 1.56 0.34
284.9428 698.25 701.57 0.002331 1.44 0.3
258.0285 698 701.49 0.003414 1.51 0.35
236.6294 697.93 701.03 0.010441 2.89 0.62
218.6653 697.79 700.06 0.030555 3.96 1.01
198.2999 697.65 699.85 0.014522 2.72 0.7
181.2276 697.49 699.79 0.006386 1.9 0.46
162.7824 696.74 698.43 0.03684 3.19 1
137.7065 695.5 696.64 0.065182 4.37 1.38
135.1716 694.23 695.73 0.117038 5.43 1.81
122.7889 694.25 695.91 0.029007 3.54 0.96
110.8236 694.06 695.55 0.032617 3.51 1.01
108.2722 692.97 695.56 0.009977 2.45 0.58
77.68709 692.57 695.35 0.006629 2.24 0.49
75.13171 692.34 695.38 0.004032 1.94 0.39
62.30841 691.96 695.28 0.004637 2.14 0.42
Tabla 18. Resultados del perfil longitudinal. Periodo de retorno 100años.
90
4.2 RESULTADOS MODELACIÓN IBER
Mediante el Paquete informático IBER 2.0.2, se obtuvieron resultados
provenientes del análisis bidimensional. Inicialmente, se mencionó que el importe de
la geometría fue realizado de dos maneras a través de RTIN o de una TIN generada
con un SIG. Realizando las corridas, se tiene que el método más adecuado fue el
RTIN, puesto que al realizar el mallado de la superficie, se describe muy bien además
que el tamaño de los triángulos puede ser ajustado y se adaptan a la topografía.
En el caso de TIN generada con una SIG, el mallado debe ser estructurado ya
que el archivo importado, viene con una triangulación realizada desde ArcGIS y esta
estructura debe mantenerse. La malla describe muy bien la superficie pero el
problema radica en que se forman triángulos muy pequeños, justamente donde se
encuentran curvas de nivel muy cercanas. Cuando se realiza la corrida, en la
verificación del mallado el programa genera unas advertencias, indicando los
elementos que tenían un volumen menor a 0.001 y posteriormente, al realizar las
primeras muestras indica que los elementos no cumplen la condición de Courant, lo
que interrumpe la continuidad del proceso. El manual de usuario IBER (2012), aclara
que es recomendable que la TIN se haya realizado previamente a partir de una capa
Raster (y no por ejemplo a partir de curvas de nivel u otras entidades) para asegurar
que los triángulos resultantes no tengan lados demasiado pequeños.
En tal sentido, como el archivo TIN fue realizado a partir del levantamiento
topográfico con curvas de nivel, los lados generados son muy pequeños. Para evitar
este problema, se requeriría un levantamiento donde se tenga mayor cantidad de
puntos, para que se describa mejor la superficie sin la necesidad de las curvas de
nivel.
91
Por estas razones, la geometría para el análisis es la RTIN. Cuando el
programa efectúa la evolución de los elementos de la geometría de la malla, a través
de un avance porcentual, no se genera ningún tipo de advertencias ni errores. Luego
de este chequeo, cuando el porcentaje es 100%, comienza a calcular el caudal de
entrada y de salida cada 100s, hasta el tiempo máximo de 3600s (1h).
El caudal de entrada (Qin), presenta variaciones en las primeras muestras,
mientras el sistema se hace estable, por su parte, el caudal de salida (Qout) comienza
de cero (0) hasta que transcurre tiempo suficiente como para que el caudal llegue
hasta la salida de la Quebrada, aproximadamente a la muestra veinte 1200s (0.5h).
Cabe destacar, que se generaron en total cuatro corridas para un periodo de
retorno de 50 años y cuatro corridas para periodo de retorno de 100años, dado que no
se tiene certeza de las condiciones hidrodinámicas de contorno. Por ello, se realizaron
todas las combinaciones posibles para posteriormente tomar decisión de la alternativa
correcta en el caso en estudio. Las combinaciones realizadas fueron:
Condición de Entrada SubCrítico/Crítico y Condición de Salida
SuperCrítico/Crítico.
Condición de Entrada SuperCrítico y Condición de Salida
SuperCrítico/Crítico.
Condición de Entrada SubCrítico/Crítico y Condición de Salida SubCrítico.
Condición de Entrada SuperCrítico y Condición de Salida SubCrítico.
Para, el análisis realizado, se descartaron las opciones donde la Condición de
Entrada es SuperCrítica, porque el programa mostro una advertencia en el proceso de
cálculo, indicando que la condición no se satisface y por lo tanto tomaría flujo crítico
como condición de contorno para el cálculo.
De tal modo, la condición de entrada establecida en definitiva, es
SubCrítico/Critico, por lo cual se evalúan solo las dos posibilidades de condición a la
92
salida. Pero al utilizar la nota del Manual de Usuario IBER (2012), donde se
recomienda que sino se tiene seguridad de la condición de frontera, se imponga
régimen critico suficientemente lejos de la zona de interés, se utiliza la condición de
salida SuperCrítico/Crítico.
Sin embargo, surge la problemática de determinar a que distancia debe estar
colocada esta condición para que no afecte los resultados. Por tanto, análogamente
como se realizo para HecRAS, se procedió a realizar un análisis de sensibilidad,
variando la condición de salida Subcrítico, debido a que en la condición de salida
SuperCrítico/Crítico no se puede modificar ningún parámetro.
Inicialmente, se calculó el nivel de agua en la última sección aguas
abajo de la Quebrada para cada uno de los caudales respectivos a 50 y 100 años,
asumiendo la pendiente de la línea de energía igual a la de fondo del cauce. Este dato,
se introduce en la condición de salida Subcrítico y se realiza la corrida.
Posteriormente, se varía el dato de nivel de agua a la salida, considerando para el
cálculo distintos valores de pendiente. En este caso se usaron las mismas pendientes
que en HecRAS correspondiente a las condiciones de contorno aguas abajo.
Condición 1: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del fondo
del cauce aguas abajo. (Figura 46)
En la corrida obtenida de esta condición, se observa que el programa impone
régimen crítico en el contorno de salida, similarmente como ocurre en HecRAS. Esta
corrida además mostró los mismos resultados que colocando como condición de
contorno a la salida Supercrítico/Crítico.
93
Figura 46. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( )
Condición 2: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
inicial aguas arriba de la Quebrada. (Figura 47)
Figura 47. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( .)
94
Condición 3: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente del fondo
del cauce inmediatamente aguas arriba del puente. (Figura 48)
Figura 48. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( )
Condición 4: Pendiente de la línea de energía igual a la pendiente de fondo
promedio entre 1 y 3. (Figura 49)
Figura 49. Perfil Longitudinal de la Quebrada ( )
95
Para determinar con mayor precisión donde comienzan a variar los resultados,
se disminuyó el rango de la escala de cotas de agua (Figura 50), estudiando las
secciones aguas abajo de la Quebrada. Además, se realizó una gráfica de nivel de
agua en función de la distancia aguas debajo de la Quebrada, en donde se aprecian
simultáneamente los niveles de agua para cada una de las condiciones empleadas.
(Figura 51)
a) Pendiente Promedio b) Pendiente inmediatamente Aguas Arriba del puente
b) Pendiente Inicial Aguas arriba de la Quebrada
Figura 50. Áreas Coloreadas de la Variación del nivel del agua en las
secciones aguas debajo de la Quebrada(a,b,c)
96
Figura 51. Variaciones del Nivel del Agua en función de la distancia, en las primeras
secciones aguas debajo de la Quebrada. TR=50años.
Se concluye, que a partir de una distancia mínima de 38m, la condición de
frontera no afecta los resultados del resto del dominio (Figura 51). Las secciones
previas a esta distancia presentan diferencias entre sí para cada condición. Cabe
mencionar que resultados similares se obtuvieron para el estudio realizado con un
periodo de retorno de 100años.
Finalizado el cálculo de los resultados, se habilita el menú postproceso del
programa, el cual despliega una gama de opciones para la observación de los
resultados y su manipulación. En el Menú Ventana, se encuentran las opciones de
visualización de resultados, en donde se obtienen gráficas y tablas de los resultados.
Además en la opción Ver resultados, se tienen resultados de todo la Quebrada
simultáneamente, bien sea mediante coloreado o sombreado según los rangos de las
variables obtenidas (Calado, Velocidad, Cota de Agua o Número de Froude) o
692.5
693
693.5
694
694.5
695
0.3
9.49
743
10.1
381
11.9
582
13.0
018
14.1
31
17.0
039
18.0
31
20.9
624
22.6
715
24.9
121
25.7
776
27.6
51
29.3
449
30.8
438
32.3
126
35.0
521
36.8
907
37.9
547
40.4
896
42.3
4
44.6
373
45.4
783
Pendiente S3
Pendiente S4
Pendiente S2
97
también a través de Vectores X, Y y el vector resultante indicando dirección y sentido
de los resultados (Froude y Velocidad).
4.2.1 COTA DE AGUA
Las cotas de agua obtenidas, oscilan en un rango entre 705.55m y 693.43m
(Periodo de retorno de 50 años), y entre 705.71m y 694.28m (Periodo de retorno de
100años). (Figura 52 y 53) Las profundidades de agua mayores, están ubicadas en el
inicio aguas arriba de la quebrada e inmediatamente aguas arriba del puente,
observando una disminución progresiva a medida que se avanza aguas abajo de la
quebrada.
Puente en Funcionamiento
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en funcionamiento, el nivel de agua es de 700.73m, mientras que para la
sección aguas abajo es de 699.98m. Para un periodo de retorno de 100 años,
es de 700.25m y 700.10m respectivamente.
Puente en Construcción
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en construcción, el nivel de agua es de 699.76m, mientras que para la sección
aguas abajo es de 698.64. Para un periodo de retorno de 100 años, es de
699.85m y 699.76m respectivamente.
98
Figura 52. Áreas sombreadas según la Profundidad de Agua para
TR=50años
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
99
Figura 53. Áreas sombreadas según la Profundidad de Agua para
TR=100años
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
100
4.2.2 VELOCIDADES
Se puede observar que las velocidades máximas se encuentran en la zona
aguas abajo del puente en construcción, donde el resultado obtenido se puede
considerar acertado ya que esa zona el régimen es supercrítico, caracterizado por
bajas alturas de agua y altas velocidades. Hacia la zona aguas arriba del puente se
pueden observar velocidades menores, esto se debe a que esa zona el régimen
gobernante es el subcrítico. Velocidades máximas se encuentran en un rango de 5.75
y 6.57 m/s y las mínimas entre 0.82 y 1.64 m/s, para un periodo de retorno de 50 años
(Figura 54). Para un periodo de retorno de 100 años, las máximas oscilan entre 6.10
y 6.23 m/s y las mínimas entre 0.93 y 1.80 m/s. (Figura 55)
Puente en Funcionamiento
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en funcionamiento, los niveles de agua están entre, 2.62 - 2.67 para la sección
aguas abajo están entre 3,63 - 3.78. Para un periodo de retorno de 100 años,
2.70 - 2.79 y 3,83 - 3.91 respectivamente.
Puente en Construcción
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en construcción, los niveles de agua están entre 2.33 - 2.47, para la sección
aguas abajo están entre 3.05 - 3.20. Para un periodo de retorno de 100 años,
2.43 - 2.50 y 3,18 - 3.35 respectivamente.
101
Figura 54. Áreas Coloreadas representando Velocidades TR= 50.
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
102
Figura 55. Áreas Coloreadas representando Velocidades TR= 100
4.2.3 NUMERO DE FROUDE
Según los resultados obtenidos, se aprecia que el número de Froude es menor
que uno aguas arriba del puente en funcionamiento, mostrándose un régimen
subcrítico. A los alrededores del puente se tienen los valores de número de Froude
más altos, observándose un régimen supercrítico inmediatamente aguas abajo del
puente. Posteriormente, el régimen vuelve a tornarse subcrítico oscilando el número
de Froude entre 0.40-0.60, estos rangos se mantienen para ambos periodos de retorno.
(Figura 56 y 57)
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
103
Puente en Funcionamiento
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en funcionamiento, el rango de niveles de agua están entre 0.56 - 0.60,
mientras que para la sección aguas abajo están entre 1.04 - 1.08. Para un
periodo de retorno de 100 años, 0.64-0.68.
Puente en Construcción
Para un periodo de retorno de 50 años, en la sección aguas arriba del puente
en funcionamiento, el rango de niveles de agua están entre 0.76 - 0.80,
mientras que para la sección aguas abajo están entre 1.24 - 1.28. Para un
periodo de retorno de 100 años,1.32 - 1.36
104
Figura 56. Áreas Coloreadas representando al número de Froude TR=50
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
105
Figura 57. Áreas Coloreadas representando al número de Froude
TR=100
Puente en Construcción
Puente en Funcionamiento
106
4.3 COMPARACIÓN ENTRE LOS MODELOS HECRAS E IBER
Cada modelo en su corrida, permitió observar los resultados de diferentes formas.
Se realizaron comparaciones mediante tablas y gráficos que están presentes en ambos
modelos, para apreciar mejor el contraste entre los resultados.
Para realizar dichas comparaciones entre modelos, se decidió además trabajar
con seis secciones transversales, de interés para la evaluación, a lo largo del cauce
(Figura 58).
392.9394 ( ubicada 178.274m aguas arriba del puente en funcionamiento)
236.6294 ( inmediatamente aguas arriba del puente en funcionamiento)
218.6653 ( inmediatamente aguas abajo del puente en funcionamiento)
181.2276( inmediatamente aguas arriba del puente en construcción)
162.7824( inmediatamente aguas abajo del puente en construcción)
94.9210 ( ubicada 70.861m aguas abajo del puente en construcción)
107
Figura 58. Secciones seleccionadas para la comparación entre el Modelo
HecRAS e IBER.
392.93
94
181.22
76
162.78
24
94.921
0
236.62
94
218.66
53
108
4.3.1 COMPARACION DE RESULTADOS
4.3.1.1 COTA DE AGUA
Al comparar los resultados de los modelos, se observan valores muy
similares entre sí. (Tabla 19) Aguas arriba del puente en funcionamiento en
ambos casos se mostraron las profundidades de agua mayores y aguas abajo
del puente en construcción, las profundidades de agua menores.
Por otra parte ambos programas permiten observar los gráficos de las
secciones transversales, mostrando resultados muy similares entre sí. (Figura
59 y 60) Sin embargo es importante destacar, que el trazado de las secciones
en IBER debe ser cuidadoso, asegurando que la sección este perpendicular al
flujo.
COTA DE AGUA
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 695.22 694.83
162.7824 698.28 698.64
181.2276 699.56 699.76
218.6653 699.98 700.10
236.6294 700.73 700.98
392.9394 701.65 701. 314
Tabla 19. Cuadro Comparativo niveles de agua, entre HecRAS e
IBER.TR=50años
109
COTA DE AGUA
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 695.57 695.15
162.7824 698.43 698.82
181.2276 699.79 699.85
218.6653 700.06 700.25
236.6294 701.03 700.104
392.9394 701.96 701. 70
Tabla 20. Cuadro Comparativo niveles de agua, entre HecRAS e
IBER.TR=100años
Figura 59. Sección Transversal 392.9394, obtenida mediante el Modelo
HecRAS. TR=50años
0 20 40 60 80 100698
699
700
701
702
703
704
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 11/06/2014
Station (m)
Ele
vatio
n (
m)
Legend
WS TR=100
WS TR=50
Ground
Bank Sta
.059
110
Figura 60. Sección Transversal 392.9394, obtenida mediante el Modelo
IBER.TR=50 años.
Cabe destacar, que el modelo bidimensional IBER, representa mucho mejor
los casos en los que exista una bifurcación de flujo, debido a que este permite obtener
un nivel diferente de agua dependiendo del área de cada tramo de la bifurcación. En
el caso del modelo unidimensional HecRAS, esto no es posible. Si existe una
bifurcación el flujo se divide teniendo en ambas partes el mismo nivel del agua, así
esto no sea cierto en la realidad. (Figura 61 y 62)
111
Figura 61. Sección Transversal 579.0168, obtenida mediante el Modelo
IBER.TR=50 años.
Figura 62. Sección Transversal 579.0168, obtenida mediante el Modelo
HECRAS. TR=50años
0 20 40 60 80 100 120 140 160701
702
703
704
705
706
PuenteLaGuardia Plan: CorridaPuente 11/06/2014
Station (m)
Ele
vatio
n (
m)
Legend
WS TR=100
WS TR=50
Ground
Bank Sta
.059
112
4.3.1.2 VELOCIDAD
Se compara las velocidades obtenidas por ambos modelos (Tabla 20), se
observan ciertas diferencias aunque no son tan marcadas entres sí, en cada caso el
comportamiento de la velocidad a lo largo del cauce es similar. Así mismo, Las
velocidades mayores se encuentran aguas abajo del puente en construcción.
Manteniéndose velocidades menores aguas arriba del puente en funcionamiento. Es
importante mencionar, que las velocidades aguas abajo del puente en construcción,
justo después de las estructuras disipadoras de energía, disminuyen notoriamente,
lográndose cumplir la función para la cual son diseñadas, esto se aprecia claramente
en ambos modelos.
Es importante señalar, que en el Modelo IBER las velocidades se obtienen
tanto en X como en Y, para cada punto a lo largo del cauce, y la resultante entre
ambos vectores es la que se encuentra tabulada. Como HecRAS es un modelo
unidimensional, la velocidad no se representa vectorialmente, por ello se pueden
apreciar diferencias entre los resultados.
VELOCIDAD
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 2.24 2.76 - 2.91
162.7824 2.98 3.05 - 3.20
181.2276 1.88 2.33 - 2.47
218.6653 3.58 3,63 - 3.78
236.6294 2.67 2.62 - 2.67
392.9394 1.46 2.03 - 2.18
Tabla 21. Cuadro Comparativo velocidades, entre HecRAS e IBER.
TR=50años
113
VELOCIDAD
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 2.31 2.88 – 3.03
162.7824 3.19 3.17 - 3.32
181.2276 1.90 2.45 - 2.59
218.6653 3.96 3.75 - 3.90
236.6294 2.89 2.74 - 2.79
392.9394 1.58 2.15 - 2.18
Tabla 22. Cuadro Comparativo velocidades, entre HecRAS e IBER.
TR=100años
4.3.1.3 NUMERO DE FROUDE
Análogamente, al estudiar el comportamiento del número de Froude con cada
modelo, se observan resultados similares, algunos con pequeñas variaciones. Se sabe
que el cálculo del número de Froude depende de la velocidad, por lo cual, se
representa vectorialmente y se descompone en X y Y, razón por la cual se generan
diferencias entre los resultados en un modelo unidimensional y uno bidimensional.
A partir de los resultados de cada modelo, se tiene que ambos muestran un
régimen subcrítico F<1 en casi todo el dominio, a excepción de la parte aguas abajo
del puente en construcción, donde se observan F>1 por lo tanto régimen supercrítico.
114
NUMERO DE FROUDE
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 0.55 0.60 - 0.64
162.7824 1.01 1.24 - 1.28
181.2276 0.48 0.76 - 0.80
218.6653 0.95 1.04 - 1.08
236.6294 0.60 0.56 - 0.60
392.9394 0.33 0.40 - 0.44
Tabla 23. Cuadro Comparativo número de Froude, entre HecRAS e
IBER. TR=50años
NUMERO DE FROUDE
SECCIÓN HECRAS IBER
94.9210 0.52 0.59 - 0.63
162.7824 1.00 1.23 - 1.27
181.2276 0.46 0.75 - 0.79
218.6653 1.01 1.03 - 1.07
236.6294 0.62 0.55 - 0.59
392.9394 0.33 0.39 - 0.43
Tabla 24. Cuadro Comparativo número de Froude, entre HecRAS e
IBER. TR=100años
4.3.2 COMPARACIÓN TIEMPO DE SIMULACIÓN
Un parámetro importante, para comparar los modelos está en el tiempo de
simulación empleado por cada uno. En el caso del modelo unidimensional, las
corridas se ejecutaban en apenas unos segundos, mientras que para el modelo
115
bidimensional, puede requerir de tiempos entre aproximadamente 5 y 12 horas, para
un tiempo máximo de resultados de 1 hora, todo dependiendo de la complejidad e
irregularidad de la geometría representativa del terreno y de la precisión de la
representación de la geometría a través del mallado, entre más detallado se desee
hacer el mallado los triángulos serán más pequeños y los tiempos de simulación
mayores. En la presente investigación el tiempo de simulación fue de 6h 32min.
4.3.3 COMPARACION MANCHAS DE INUNDACIÓN
En ambos modelos se generó finalmente la mancha de inundación en toda la
Quebrada. En cada caso se observa diferente el coloreado del agua a lo largo del
cauce, sin embargo, se pudo observar que en ambos casos los resultados son muy
parecidos, tanto en el rango de los valores de cota de agua representados como en la
forma del recorrido del agua sobre el cauce principal. En el caso de HecRAS, se
requiere conocer como dato los bancos de la quebrada para limitar el cauce principal;
esto no es necesario en el caso de IBER, según el modelo digital de elevación
realizado de la topografía del terreno y los niveles de agua calculados, el mismo
realiza el recorrido del flujo a lo largo de la Quebrada. (Figura 63)
116
Figura 63. Manchas de Inundación obtenidas en Iber y HecRAS.
117
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones.
Con la presente investigación se llegaron a establecer las conclusiones, en
concordancia con los objetivos en los siguientes términos:
Se identificó las características generales del puente en construcción,
mediante los planos de proyecto suministrados por el Ministerio de Tránsito
Terrestre, las cuales fueron:
Ancho de la Calzada = 9.60m
Largo del Tablero = 105m
Pilotes
Estribos sin aletas en ambos extremos del puente
16 Pilas de distribuidas a lo largo del puente
A través de la inspección visual y el levantamiento topográfico, se
recolectó la información del puente en funcionamiento y la descripción del terreno
a través de puntos y curvas de nivel. Con la aplicación del Modelo hidrológico
HEC HMS, se calcularon los caudales máximos de la cuenca en estudio, para los
periodos de retorno de 50 y 100 años, dando como resultado Q=231.2 m3/s y
Q=289.1 m3/s respectivamente. Todo esto, con la finalidad de utilizarlos como
datos de entrada para los modelos hidráulicos HECRAS e IBER
Del análisis hidráulico realizado con la aplicación del modelo
unidimensional HEC-RAS, se obtuvo que para un flujo permanente, la condición
de borde aguas abajo de la Quebrada, no se satisface al suponer la pendiente de la
línea de energía igual a la del fondo del cauce puesto que no es hidráulicamente
118
posible cambiar a régimen supercrítico con el nivel de agua que viene desde aguas
arriba en una distancia tan corta.
El desconocimiento del nivel del agua para la condición aguas abajo, llevó
a un análisis de sensibilidad de la pendiente, cuyo rango debería ser
necesariamente menor a la pendiente crítica y mayor que 0.0084. Para pendientes
mayores a la crítica se impone altura crítica a la salida y para pendientes menores
a 0.0084 tendría que existir algo aguas abajo que produzca un remanso con este
nivel del agua y ninguno de estos casos ocurre en la realidad.
En tal sentido, Se probaron varias pendientes dentro de este rango y al
estudiar los efectos de estos sobre los resultados se concluyó que la condición de
frontera afecta solo las 2 primeras secciones estudiadas en HecRAS.
Por otra parte, el tramo de la Quebrada se comportó bajo un flujo mixto ya
que a lo largo del cauce se presentaron cambios de regímenes de flujo (subcrítico-
supercrítico, supercrítico-subcrítico).
Así mismo, se observaron formaciones de resaltos hidráulicos aguas abajo
del puente en construcción, por donde se encuentra la estructura disipadora de
energía, en tal sentido se concluye que las estructuras cumplen su función,
disminuyendo la velocidad en este punto, cambiando de un régimen súper critico
a un régimen subcrítico.
Dentro de esta óptica, al analizar la aplicación del modelo bidimensional
IBER, ante un desconocimiento de las condiciones de frontera, se tomó en cuenta
el mismo análisis de sensibilidad realizado del modelo anterior y se determinó que
la distancia mínima a partir de la cual la condición de frontera no afecta los
resultados del resto del dominio fue de 38m.
Igualmente, se puede concluir que el flujo en la Quebrada es mixto, con un
régimen sub critico aguas arriba, régimen supercrítico aguas abajo del puente y
nuevamente régimen subcrítico aguas abajo de la Quebrada. También se aprecian
119
la formación de resaltos hidráulicos en la zona donde se ubican los disipadores de
energía, presentándose el cambio de flujo de supercrítico a subcrítico.
Al realizar la comparación de ambos modelos, se obtuvieron resultados
similares. En cuanto a las cotas de agua, tomando en cuenta los resultados del
puente en construcción se tiene en HEC RAS, una cota de 698.28m aguas abajo y
de 699.56m aguas arriba, mientras que en IBER se tiene aguas abajo una cota de
698.64m y aguas arriba 699.76m, para un periodo de retorno de 50 años. Así
también, para el puente en funcionamiento, se tiene en HEC RAS una cota de
699.98m aguas abajo y 700.73m aguas arriba, mientras que en IBER 700.10m
aguas abajo y 700.98m aguas arriba. Para el periodo de retorno de 100 años, para
el puente en construcción se tiene en HEC RAS, una cota de 698.43m aguas
abajo y de 699.08m aguas arriba, mientras que en IBER se tiene aguas abajo una
cota de 698.82m y aguas arriba 699.85m; así mismo, para el puente en
funcionamiento, se tiene en HEC RAS 700.06m aguas abajo y 701.45m aguas
arriba, mientras que en IBER 700.10m aguas abajo y 700.98m aguas arriba.
De los resultados de velocidad, para cada periodo de retorno se tienen
rangos de velocidad muy cercanos, que oscilan entre los 2.3 m/s y 4.9 m/s
tomando como referencia la cercanía a los puentes.
Al mismo tiempo, se concluye que el modelo bidimensional (IBER),
permite realizar estudios donde exista división del flujo en una misma sección
colocando niveles diferentes, en cambio el modelo unidimensional (HecRAS) no
aprecia estos cambios de nivel y coloca el mismo así no sea correcto. Por otra
parte, el modelo bidimensional permite generar la mancha de inundación sin
necesidad de delimitar los bancos, a diferencia del modelo unidimensional que
requiere de esta delimitación. IBER además permite obtener vectores de velocidad
x y y, pero presenta una desventaja fundamental respecto a HecRAS, que es el
tiempo de simulación, este modelo es muy lento sus corridas pueden durar días,
lo contrario ocurre en las corridas de HecRAS que solo requieren de unos segund0
para obtener resultados. Otra desventaja de IBER es la información limitada en
120
los manuales de usuario, HecRAS presenta un manual mucho más completo para
su aplicación.
5.2 Recomendaciones.
En atención a las determinaciones del estudio se considera, que el modelo
resultante de conveniente ejecución va a depender de las necesidades del usuario.
Se recomienda la utilización del modelo IBER donde se requiera el análisis en dos
dimensiones, como por ejemplo en el caso de bifurcaciones, o cuando se requiera
de un análisis muy detallado a partir de un modelo digital de elevación. En otro
caso se recomienda la aplicación de HecRAS ya que requiere de menores tiempos
para su ejecución y es de fácil aplicación.
Por otra parte, se recomienda continuar el estudio bajo el enfoque de fondo
móvil, de tal forma que se le dé continuidad a esta investigación, realizando un
análisis detallado en cuanto al transporte de sedimentos y la socavación para cada
puente.
121
BIBLIOGRAFÍA
Agüero D. y Torrealba C. (2013). “Evaluación Hidráulica del puente sobre la
Quebrada Mosquera, ubicada en el Municipio Iribarren Estado Lara, mediante
la aplicación de los Modelos Hidráulicos HEC-RAS e IBER”. Trabajo de Grado
UCLA Barquisimeto.
Centros de estudios y experimentación de obras públicas (CEDEX, 2010). “Manual
Básico de usuario (Iber)”. España
Cuervo, H. (2012). “Comparación de los modelos hidráulicos unidimensional
HEC-RAS y bidimensional IBER mediante la modelación hidráulica”.
Kossowski, A. y Rupcich, I. (2103). “Evaluación desde el punto de vista
hidráulico el puente sobre La Quebrada Borure, Municipio Iribarren Estado
Lara, mediante la aplicación de los programas HEC-RAS HEC-GEO RAS”
Majano, F. (2010). “Evaluación Hidráulica y estimación del grado de Socavación
del puente Yumare, ubicado en el Estado Yaracuy, Venezuela. Trabajo Especial
de Grado”.
Juan Pedro Martín Vidé, Susana López Querol, Pedro Martín Moreta, Gonzalo
Simarro Grande y Gerardo Benito Ferrández. 2006. “Uso de modelos
unidimensionales y bidimensionales en llanuras de inundación”.
Oberto, L. 2003. “Problemario de Hidrología Aplicada a la Ingeniería Civil.
UCLA. DIC. Barquisimeto”.
Santos Rocha, Ana Carolina; Cubillos Peña, Carlos Eduardo; Vargas Luna, Andrés.
2008. “Modelación hidráulica de un sector de Río caudaloso con derivaciones
empleando HEC-RAS”. Red de revistas científicas de América Latina, el Caribe,
España y Portugal. P.13
122
Ven Te Chow. 2004. “Hidráulica en Canales Abiertos, Editorial, McGraw–Hill.
Colombia”.
Anexo A. Tabla de Precipitación mensuales Obtenida del GBDH correspondiente a la
Estación Cubiro y precipitaciones medias (anual y correspondiente a cada mes).
Fuente Propia.
Año Ene. Feb. Mar. Abril May. Jun. Jul. Agos. Sept. Oct. Nov. Dic. Sum.
1976 28.8 27.4 62.7 104.1 176.7 199.4 194.7 94.5 66 109.6 53.8 27.8 1145.5
1977 1.1 0.8 29.7 7.8 136.2 121.4 154.9 68.6 76.9 33.3 89.1 13.2 733
1978 8.3 6.3 80.7 215.9 208.8 156.7 146.1 81.8 85.4 87.9 65.2 67.4 1210.5
1979 1.7 10.9 107.7 134.9 156.2 227.2 73.5 83.7 67.9 186.9 84.8 136 1271.4
1980 5 0.1 15.7 62 96.1 146.2 98.2 70.1 75.5 54 35.3 33.6 691.8
1981 13.2 62.3 44.4 293.7 218.8 178.5 52.3 60.7 123.6 176.9 115.5 54.6 1394.5
1982 9.3 47.3 0.1 88 202.3 157.6 169.7 98.1 30.9 40.5 60.8 83.4 988
1983 25.5 15.2 43.5 150.5 143.2 113 126 57.6 46.5 125.3 21.5 78.2 946
1984 12 26.9 4.1 101.5 59.7 93 49.5 68.6 94.9 98.6 59.8 19.3 687.9
1985 0.2 11.1 33.8 30.1 95.3 164.6 68 51.7 82.7 270.9 109.8 69.5 987.7
1986 23.7 104.7 30.7 61.4 114.7 203.1 145.5 101 95.9 94.9 149.1 47.2 1171.9
1987 15.7 2.9 18.5 26.7 109.2 98.6 190 72 94.2 108.3 196.1 23.3 955.5
1988 0 22.4 4.4 72.5 8.1 97.2 102.8 108.4 142.6 303.1 157.6 22.1 1041.2 1989 7.9 109.7 29.5 15.1 79 77.1 99.2 18.5 74.2 85.1 105.3 30.4 731
1990 24.3 52.6 19.9 86.2 232.1 122.4 64 81.4 85.2 182.3 93.9 13.5 1057.8
1991 3.9 10.8 38.5 116.2 37.9 106.7 69.2 54.4 135.7 64.3 112.5 61.1 811.2
1992 1.5 7.4 1.3 155.2 81.7 253 112.8 87.7 99.9 8.6 114.3 20.9 944.3
1993 4.1 3.7 27.7 91.8 113.3 179.7 95.5 125.1 58.8 23.7 87.6 24.7 835.7
Prom 10.3 29.02 32.9 100.75 126.07 149.74 111.77 76.88 85.37 114.12 95.11 45.9 978.05
Anexo B. Tabla de Precipitación mensuales Obtenida del GBDH correspondiente a la
Estación Las Tablas y precipitaciones medias (anual y correspondiente a cada mes).
Fuente Propia.
Año Ene. Feb. Mar. Abril May. Jun. Jul. Agos. Sept. Oct. Nov. Dic. Sum.
1976 16.9 26.4 17.2 144.5 162.5 229.9 242.3 94.6 72 45.3 25.1 6.7 1083.4
1977 0.4 1.6 2.8 6.6 49.2 133.4 133 100.2 73.4 36.8 45.4 13 595.8
1978 9 2.8 31.8 167 115.8 153.2 163 57.8 101 132.6 96.6 36.4 1067
1979 1.6 2 84.8 112.4 133.4 154.4 67.6 113 61.4 191.8 119.7 117.6 1159.7
1980 5.6 0 15 105.2 80.2 182.2 177.4 102.6 76.6 83 35.9 20.8 884.5
1981 9 121 36.6 396.2 227.8 226.8 60.2 72 167 180.4 78.1 96.2 1671.3
1982 19.4 26 0.8 100.2 248.2 185.4 278.2 81 10.8 59.8 131.4 96.2 1237.4
1983 35.4 10.6 68.4 177.6 194.9 163 165.4 94.7 90.2 137.9 40.3 137.6 1316
1984 7.2 36.6 5.4 51.6 90 172.2 63.6 43.9 88.1 142.2 53.1 17.9 771.8
1985 0.3 30 89.8 56.1 70.4 51.1 37.3 56 49.7 151.3 79.3 58.8 730.1
1986 18 55.3 15.4 64 121 153.1 110.5 111.5 103.9 63.1 103 31.5 950.3
1987 10.3 1 36.1 19.5 103.2 63.7 141.5 61 58.2 81.3 83.3 16.1 675.2
1988 0.1 13.7 0 37.4 16.8 106.9 90.6 104.2 165.4 234.2 62.7 16.7 848.7 1989 0.3 9.6 13.4 6.4 75.4 75.4 55 31.8 49.5 92.5 47.6 33.9 490.8
1990 29 38 29.3 154.9 170 158 51.5 63.4 60.4 78.6 97.3 21.6 952
1991 1.5 9.6 54 115.7 41.4 156.3 73.1 68.1 117.1 100.5 64.3 45.8 847.4
1992 0.9 42.7 0.6 121.3 117 238 110.9 106.2 95.7 20.8 85.5 25.7 965.3
1993 3.8 24.5 27.3 237 122.1 200.7 122.8 167.9 93.8 32.4 123.4 25.7 1181.4
Prom 9.37 25.07 29.37 115.2 118.85 155.76 119.10 84.99 85.23 103.58 76.22 45.45 968.22
Anexo C. Tabla de Precipitación mensuales Obtenida del GBDH correspondiente a la
Estación San Miguel y precipitaciones medias (anual y correspondiente a cada mes).
Fuente Propia.
Año Ene. Feb. Mar. Abril May. Jun. Jul. Agos. Sept. Oct. Nov. Dic. Sum.
1976 28.3 8.8 11.5 73.9 55.7 88.8 81.9 13.4 31.2 86.3 60.7 4.5 545
1977 0.1 1 5.4 0.1 78.1 66 54.9 47.4 15.6 12.9 70.6 4.6 356.7
1978 7.4 4.4 83 201.5 58.5 50.7 75.9 24.4 44.6 97.3 29.4 26.4 703.5
1979 1.8 1.9 87.9 67.3 68.6 106.8 36.4 51.5 13.7 137.6 69.5 51.2 694.2
1980 1.4 0 2.6 36.3 33.3 56.6 59.9 57.7 54.5 29.9 37.1 7.1 376.4
1981 6.2 39.9 12.9 292.3 199.7 87.1 23.5 56.6 76.7 149.3 55.6 55.4 1055.2
1982 11.6 9 0 81.4 132.1 41.6 54.9 22.2 21.8 33.8 29.3 56.9 494.6
1983 44.3 0 87.8 130 72.3 62.5 48.5 31.5 29.1 88.5 12.7 56 663.2
1984 0 12.2 1.5 36.2 44.8 68.2 32 35.4 41.2 73.6 40 7.5 392.6
1985 0.8 11.2 26.9 21 41.8 39.1 26 44.5 35.7 139.6 79.6 62 528.2
1986 19.5 40.5 12.5 60.9 74.4 75.9 42.1 63.7 53.4 70.1 69.1 14.6 596.7
1987 3.7 0 24 12.8 147.3 31.3 70.7 31.4 41.7 89.7 67.6 0.2 520.4
1988 0 7.8 1.5 37 15.2 67.3 47.7 117.6 143.5 204 90.4 23.4 755.4 1989 3.8 46.6 64.4 2.6 26 32.4 24.2 17.9 121.1 38.5 74.2 22 473.7
1990 15.4 22.6 8 50.5 123.4 64.8 38 33.1 26.3 237.7 33 10.4 663.2
1991 1.1 2.8 19.1 91.8 19.9 67.9 37.7 26.2 71.1 57.9 102.3 19.5 517.3
1992 0.5 14.2 0 96 64.6 93.1 44.8 38.2 37.9 2.9 70.8 31 494
1993 1.5 31.2 12.7 163.6 56 60.6 85.9 74.8 52.8 9.6 53.3 17.9 619.9
Prom 8.18 14.11 25.65 80.84 72.87 64.4 49.16 43.75 50.66 86.62 58.06 26.14 580.56
Anexo D. Tabla correspondiente al cálculo del factor reducción área referente al mes de Mayo
estación tormenta Cubiro. Fuente Propia
Isoyeta
media
Área Área*isoyeta
media
Área
acumulada
Prec.
media
Pm/Pp Área acum.
( )
128 2660433.6 340535500.80 0.00 126.07 1.00 0.00
127 6149433.58 780978064.66 2660433.60 128.00 1.02 2.66
125 2927162.93 365895366.25 8809867.18 127.30 1.01 8.81
123 2822556.81 347174487.63 11737030.11 126.73 1.01 11.74
121 2431273.07 294184041.47 14559586.92 126.01 1.00 14.56
119 2758713.99 328286964.81 16990859.99 125.29 0.99 16.99
117 2995328.3 350453411.10 19749573.98 124.41 0.99 19.75
115 2819850.49 324282806.35 22744902.28 123.43 0.98 22.74
113 2523189.51 285120414.63 25564752.77 122.50 0.97 25.56
111 2400298.44 266433126.84 28087942.28 121.65 0.96 28.09
109 2333421.22 254342912.98 30488240.72 120.81 0.96 30.49
107 2109827.2 225751510.40 32821661.94 119.97 0.95 32.82
105 1840595.45 193262522.25 34931489.14 119.19 0.95 34.93
103 1772223.81 182539052.43 36772084.59 118.48 0.94 36.77
101 1797468.09 181544277.09 38544308.40 117.77 0.93 38.54
99 2091022.6 207011237.40 40341776.49 117.02 0.93 40.34
97 2125160.1 206140529.70 42432799.09 116.13 0.92 42.43
95 2033437.38 193176551.10 44557959.19 115.22 0.91 44.56
93 2053967.78 191019003.54 46591396.57 114.34 0.91 46.59
91 2094789.15 190625812.65 48645364.35 113.44 0.90 48.65
89 2154941.56 191789798.84 50740153.50 112.51 0.89 50.74
87 2285424.15 198831901.05 52895095.06 111.55 0.88 52.90
85 2390272.3 203173145.50 55180519.21 110.54 0.88 55.18
83 3184123.21 264282226.43 57570791.51 109.47 0.87 57.57
81 6026870.57 488176516.17 60754914.72 108.09 0.86 60.75
79 5102325.26 403083695.54 66781785.29 105.64 0.84 66.78
77 3363066.99 258956158.23 71884110.55 103.75 0.82 71.88
75 15166039.42 1137452956.50 75247177.54 102.56 0.81 75.25
74 3717443.11 275090790.14 90413216.96 97.93 0.78 90.41
Anexo E. Tabla correspondiente al cálculo del factor reducción área referente al mes
de Junio estación tormenta Cubiro. Fuente Propia
Isoyeta
media
Área Área*isoyeta
media
Área
acumulada
Prec.
media
Pm/Pp Área acum.
( )
155 1980350.92 306954392.60 0.00 149.74 1.00 0.00
152.5 8014787.24 1222255054.10 1980350.92 155.00 1.04 1.98
147.5 4758966.8 701947603.00 9995138.16 153.00 1.02 10.00
142.5 4915086.27 700399793.48 14754104.96 151.22 1.01 14.75
137.5 4748689.88 652944858.50 19669191.23 149.04 1.00 19.67
132.5 4328923.77 573582399.53 24417881.11 146.80 0.98 24.42
127.5 3714126.38 473551113.45 28746804.88 144.65 0.97 28.75
122.5 3253870.58 398599146.05 32460931.26 142.68 0.95 32.46
117.5 2643454.8 310605939.00 35714801.84 140.84 0.94 35.71
112.5 2553890.09 287312635.13 38358256.64 139.24 0.93 38.36
107.5 2780236.78 298875453.85 40912146.73 137.57 0.92 40.91
102.5 3016400.31 309181031.78 43692383.51 135.65 0.91 43.69
97.5 2996870.45 292194868.88 46708783.82 133.51 0.89 46.71
92.5 2970748.86 274794269.55 49705654.27 131.34 0.88 49.71
87.5 3088987.93 270286443.88 52676403.13 129.15 0.86 52.68
82.5 3410599.01 281374418.33 55765391.06 126.84 0.85 55.77
77.5 5826861.43 451581760.83 59175990.07 124.29 0.83 59.18
72.5 8751157.44 634458914.40 65002851.50 120.09 0.80 65.00
67.5 20095364.25 1356437086.88 73754008.94 114.45 0.76 73.75
65 294817.44 19163133.60 93849373.19 104.39 0.70 93.85
Anexo F. Tabla correspondiente al cálculo del factor reducción área referente al mes
de octubre estación tormenta Cubiro. Fuente Propia
Isoyeta
media
Área Área*isoyeta
media
Área
acumulada
Prec.
media
Pm/Pp Área acum.
( )
114 7315592.41 833977534.74 0.00 114.12 1.00 0.00
113.5 3096088.13 351406002.76 7315592.41 114.00 1.00 7.32
112.5 2275248.74 255965483.25 10411680.54 113.85 1.00 10.41
111.5 2209657.73 246376836.90 12686929.28 113.61 1.00 12.69
110.5 2507917.35 277124867.18 14896587.01 113.30 0.99 14.90
109.5 2304591.16 252352732.02 17404504.36 112.89 0.99 17.40
108.5 2214261.07 240247326.10 19709095.52 112.50 0.99 19.71
107.5 2324083.04 249838926.80 21923356.59 112.09 0.98 21.92
106.5 2371647.44 252580452.36 24247439.63 111.65 0.98 24.25
105.5 2390768.62 252226089.41 26619087.07 111.19 0.97 26.62
104.5 2190499.69 228907217.61 29009855.69 110.72 0.97 29.01
103.5 2013991.85 208448156.48 31200355.38 110.29 0.97 31.20
102.5 1951525.57 200031370.93 33214347.23 109.88 0.96 33.21
101.5 1985156.26 201493360.39 35165872.80 109.47 0.96 35.17
100.5 2122811.13 213342518.57 37151029.06 109.04 0.96 37.15
99.5 2337920.52 232623091.74 39273840.19 108.58 0.95 39.27
98.5 2237825.34 220425795.99 41611760.71 108.07 0.95 41.61
97.5 2250610.02 219434476.95 43849586.05 107.58 0.94 43.85
96.5 2215933.44 213837576.96 46100196.07 107.09 0.94 46.10
95.5 2258517.04 215688377.32 48316129.51 106.60 0.93 48.32
94.5 2457832.69 232265189.21 50574646.55 106.11 0.93 50.57
93.5 2651488.51 247914175.69 53032479.24 105.57 0.93 53.03
92.5 3582709.88 331400663.90 55683967.75 104.99 0.92 55.68
91.5 7056869.65 645703572.98 59266677.63 104.24 0.91 59.27
90.5 4141659.86 374820217.33 66323547.28 102.88 0.90 66.32
89.5 3173549.59 284032688.31 70465207.14 102.16 0.90 70.47
88.5 4584759.73 405751236.11 73638756.73 101.61 0.89 73.64
87.5 14837753.49 1298303430.38 78223516.46 100.84 0.88 78.22
87 1041385.51 90600539.37 93061269.95 98.71 0.87 93.06
Anexo G. Grafico correspondientes a la curva reducción por Área del mes de Mayo estación
tormenta Cubiro. Fuente Propia.
Anexo H. Grafico correspondientes a la curva reducción por Área del mes de Junio estación
tormenta Cubiro. Fuente Propia.
y = -4E-05x2 - 0.0007x + 1.0143 R² = 0.9797
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
1.02
1.04
0 10 20 30 40 50 60
Pm
/pp
Area A. Km2
Curva Reduccion Area Mes de Mayo Estacion Tormenta Cubiro
Curva Reduccion AreaMes de Mayo EstacionTormenta Cubiro
Poly. (Curva ReduccionArea Mes de MayoEstacion TormentaCubiro)
y = -2E-05x2 - 0.0024x + 1.0385 R² = 0.9765
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 20 40 60 80 100
Pm
/PP
Area A.Km2
CURVA REDUCIÓN ÁREA MES DE JUNIO ESTACIÓN TORMENTA CUBIRO"
CURVA REDUCIÓN ÁREA MESDE JUNIO ESTACIÓNTORMENTA CUBIRO"
Poly. (CURVA REDUCIÓNÁREA MES DE JUNIOESTACIÓN TORMENTACUBIRO")
Anexo I. Tabla resumen de las precipitaciones máximas en sus diferentes duraciones.
Fuente M.A.R.N
Duración de las lluvias en mm
Años 30 60 120 180 360 540 720 1140
1962 36 40 44 48 49 49 53
1963 26 31 32 64 65 65 65
1964 22 32 37 42 42 42 43
1965 53 54 56 56 56 56
1966 42 53 64 66 67 90
1967 25 28 28 29 29 31
1968 29.5 42 53 56 56 56 56 56
1969 30.3 40 48 54 57 82 84 84
1970 37.3 52 53 53 56 62 71 73
1971 25.8 29 29 32 32 35 41 62
1972 18.2 25 38 55 55 55 55
1973 21.4 38 47 49 80 89 91 124
1974 19.1 23 25 35 46 49 50
1975 19.5 27 45 54 55 55 55
1976 24 28 36 55 59 62 62
1977 15.8 21 22 25 42 60 73 74
1978 31 40 47 48 51 52 55 93
1979 24.6 32 63 82 92 95 96 96
1980 21.9 24 29 29 29 31 31 31
1981 20.8 30 40 42 55 74 78 81
1982 25.6 37 40 46 46 49 52 53
1983 17.6 24 27 28 36 38 45 57
1984 20.4 25 30 32 35 43 45 52
1985 31.8 54 59 62 92 109 110 110
1986 22.9 38 45 45 50 56 57 58
1987 25.7 34 38 38 41 41 41 51
1990 19.1 22 25 36 43 45 47 48
1991 15.3 21 34 49 76 76 76 77
1992 25.7 32 37 40 44 44 44 45
1993 18.4 25 30 37 53 58 58 58
1994 16.3 18 22 33 46 51 53 53
1995 49.9 58 65 68 78 79 80 80
1996 27.2 31 32 32 55 57 58 65
1998 7.7 67 71 71 73 73 74 74
1999 25.7 32 33 33 33 33 33 39
2000 39 40 41 43 43 50 51 76
