Socavacion Tesis

7/26/2019 Socavacion Tesis

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ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VA PACHO LAPALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LASOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO

HIDRULICO

CRISTIAN CAMILO ALVAREZ MORENOGABRIEL ALFONSO CAICEDO ROJASDIEGO ALEJANDRO MORENO BARCO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el ttulo deIngeniero Civil

Director temtico

Ing. Lus Efrn Ayala RojasAsesora metodolgicaMag. Rosa Amparo Ruiz Saray


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ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VA PACHO LAPALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LASOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO

HIDRULICO

CRISTIAN CAMILO ALVAREZ MORENOGABRIEL ALFONSO CAICEDO ROJASDIEGO ALEJANDRO MORENO BARCO


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Nota de aceptacin:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________Firma del presidente de jurado

________________________________Firma del jurado

________________________________


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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su reconocimiento a:

El Ingeniero LUIS EFREN AYALA ROJAS, asesor temtico del proyecto de

investigacin por toda la colaboracin y apoyo brindado durante el desarrollo

de esta investigacin.

A MARTA LUCIA TOVAR, coordinadora del laboratorio de hidrulica por sucolaboracin y ayuda prestada durante el proceso de investigacin.

A ROSA AMPARO RUIZ SARAY, por su asesora y apoyo, en el desarrollo del

trabajo de investigacin.

A JOS LUIS ROZO ZAMBRANO, Tecnlogo encargado del Laboratorio de

Pavimentos de la Universidad de La Salle, por su colaboracin y asesora en el

desarrollo de los ensayos realizados.

A EDGAR FONSECA, Docente de la Universidad de La Salle, por su asesora


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DEDICATORIA

Al culminar esta etapa acadmica, no puedo ms que agradecer a todas aquellas

personas con quienes he compartido en la Universidad de La Salle, con quienes

he aprendido, crecido y madurado. A mi familia, por su apoyo y confianza

incondicional, porque lo que soy, se lo debo en gran parte a ellos y espero

retribuirles de la mejor manera todo el esfuerzo puesto en m para salir adelante. A

mis amigos de la Universidad, y aunque nombrarlos se haga imposible, espero que

ellos sapan lo importantes que han sido en mi vida, y ojala lo continen siendo. A

Dios, porque sin El, nada de esto seria una realidad.

Para todos ellos, dedico este logro y espero seguir contando con su compaa y

amistad a lo largo de este camino que hasta ahora empieza.


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DEDICATORIA

A mis padres, que con su esfuerzo y dedicacin han colaborado para que esta

meta se haga realidad, que con su apoyo incondicional, concejos, y paciencia me

han formado personal, profesional y moralmente y han hecho de m un hombre de

bien, de principios y de sencillez.

A mi hermana que con su confianza y respeto me a brindado fortalezas para

alcanzar mis propsitos y aspiraciones y se ha convertido en un gran ejemplo para

seguir adelante y no detenerme en el primer obstculo. A Alejandra que de una u

otra forma se ha convertido en el motor de mis aspiraciones.

Finalmente a todos mis amigos con los que aprend a vivir y ver el mundo de otra

forma y que a su vez confiaron en m, me apoyaron y colaboraron para cumplir una

de las tantas metas que me he propuesto.


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DEDICATORIA

Dedicado a mi familia, a mi novia y Universidad

Porque gracias a su cario, gua y apoyo he llegado a realizar uno de los

anhelos ms grandes de la vida, el resultado del inmenso apoyo, amor y

confianza que en m depositaron, los cuales he logrado terminar mis estudios

profesionales, solo deseo que entiendan que el logro mo, es logro de ustedes,

que mi esfuerzo es inspirado en ustedes ahora mas que nunca se acredita mi

cario admiracin y respeto.

Es una gran responsabilidad la que asumo al ser introducido en el mundo de

los Ingenieros Colombianos, de forma justa reconocida y por ello apelo a sucortesa y apoyo.

Mi universidad la que antao, fue colaboradora, durante todos los aos de

permanencia ofreciendo aprendizaje, la promotora de mis conocimientos,

desarrollo de mis habilidades y mi trabajo de grado, los cuales pondr en

practica de hoy en adelante en mi vida profesional y pondr en alto el nombre

de mi Institucin llevada sin duda por su amor a la ciencia y educacin.


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1.

Tabla 2.Tabla 3.Tabla 4.Tabla 5.Tabla 6.Tabla 7.

Factores a tener en cuenta en el anlisis de un ri(modificado de winkley, 1982)Escalas lineales comunes en modelos hidrulicosIdentificacin de variablesResultados obtenidos a caudal medioResultados obtenidos a caudal mximoVelocidades a caudal medioVelocidades a caudal mximo

Pg.

44

4868107109113115


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LISTA DE GRFICAS

Grfica 1. Curva de energa para caudal medioGrfica 2. Curva de energa para caudal mximo

Pg.

111112


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.

Figura 2.Figura 3.Figura 4.Figura 5.

Figura 6.

Figura 7.

Figura 8.

Figura 9.Figura 10.Figura 11.Figura 12.Figura 13.Figura 14.

Figura 15.Figura 16.Figura 17.Figura 18.Figura 19.Figura 20.

Representacin esquemtica de las etapas de un ri enreas de montaa tropicalTipos principales de cauceProceso de erosin y sedimentacinClasificacin de los meandrosDistribucin de velocidades en la seccin del cauce deun roVelocidades, corrientes secundarias y fuerzas detraccin sobre el cauceAnaloga de la balanza de Lane

Distribucin de la geometra hidrulica en un cauceaguas abajoLocalizacin rea en estudioCarta preliminar de la zona en estudioSuperficie digitalSecciones transversalesSuperficie digital definitivaVista 3D. modelo hidrulico

Sinuosidad del cauceVista general lneas de flujo P1 a y bVista general lneas de flujo P2 a y bVista general lneas de flujo P3 a y bVista general lneas de flujo P3 a y bVista general lneas de flujo P5 a y b

Pg.

25

26282931

31

35

55

606174747577

9398100102104106


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LISTA DE FOTOGRAFIAS

Fotografa 1.Fotografa 2.Fotografa 3.Fotografa 4.Fotografa 5.Fotografa 6.Fotografa 7.Fotografa 8.Fotografa 9.

Fotografa 10-14.

Fotografa 15-17.Fotografa 18.Fotografa 19.Fotografa 20.Fotografa 21.

Fotografa 22.Fotografa 23.Fotografa 24.Fotografa 25.Fotografa 26.Fotografa 27.Fotografa 28.

Fotografa 29.Fotografa 30.Fotografa 31.Fotografa 32.Fotografa 33.Fotografa 34.

Ro NegroVa Pacho La PalmaCurvatura de la vaObras de arteSocavacinMaterial erosionadoMaterial suelo a. ro NegroMaterial suelo b. ro NegroConstruccin del modelo. Laminas base deicopor

Registro fotogrfico de la construccin delmodelo hidrulico. Acabado de la superficie, parasimular el terreno realDimencionamiento de las estructurasEje del roDetalle eje del roCmara de recirculacin del modelo hidrulicoUbicacin del calibrador para la toma de datos

Toma de datos calibradorToma niveles. Prueba 1Prueba flujo sin estructurasConstruccin primer nivel de gavionesConstruccin segundo nivel de gavionesConstruccin tercer nivel de gavionesToma de niveles, prueba con gavin

Muro en gavin y espigosVista en planta muro en gavin y espigosVista frontal muro en bolsacretoConstruccin muro en bolsacretoMuro en bolsacretos etapa finalMuro en bolsacretos flujo a caudal medio (a)

Pg.

707071717171737378

79

8081818284

84858586868787

888889899090


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Fotografa 44.

Fotografa 45.Fotografa 46.Fotografa 47.Fotografa 48.Fotografa 49.Fotografa 50.Fotografa 51.Fotografa 52.Fotografa 53.Fotografa 54.

Detalle lneas de flujo seccin 3

Lneas de flujo caudal medioLneas de flujo caudal mximoDetalle lneas de flujo sector 3Detalle lneas de flujoDetalle lneas de flujoDetalle lneas de flujo caudalDetalle lneas del sector 2Detalle lneas de flujo sector 2 y 3Detalle lneas de flujo sector 1,2 y 3Detalle lneas de flujo sector 2

98

9999100100102102104104106106


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ANEXOS

Anexo A.Anexo B.Anexo C.Anexo D.Anexo E.Anexo F.Anexo G.Anexo H.

Anexo I.

Anexo J.Anexo K.Anexo L.Anexo M.Anexo N.

Costos de la investigacinPlancha a escala 1:25000, referencia 208 II-CValores medios mensuales de caudales. IDEAMEstudio topogrficoGranulometraDiseo de estructuras hidrulicasDimencionamiento de la estructuraEsquema del sistema de bombeo y circulacin de agua enel modelo hidrulicoPrueba 1 y prueba 1b

Prueba 2 y prueba 2bPrueba 3 y prueba 3bPrueba 4 y prueba 4bPrueba 5 y prueba 5bSecciones modificadas

Pg.

122126128130134144153158

161

164167170173176


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CONTENIDO

INTRODUCCIN1. EL PROBLEMA1.1 LNEA1.2 TTULO1.3 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA1.4 FORMULACIN DEL PROBLEMA1.5 JUSTIFICACIN1.6 OBJETIVOS1.6.1 Objetivo general1.6.2 Objetivos especficos

2. MARCO REFERENCIAL2.1 MARCO TERICO2.2 MARCO CONCEPTUAL2.3 MARCO CONTEXTUAL3. METODOLOGA3.1 DISEO DE INVESTIGACIN3.2 OBJETO DE LA INVESTIGACIN3.3 INSTRUMENTOS

3.4 VARIABLES3.5 HIPTESIS3.6 COSTOS4. TRABAJO INGENIERIL4.1 RECOPILACIN DE INFORMACIN4.1.1. Reconocimiento preliminar de campo4.1.2. Recopilacin de informacin general

4.1.3. Levantamiento topogrfico4.1.4. Caracterizacin del suelo4.2 GEOMETRA DEL MODELO Y SECCIN DE ESCALAS4.2.1. Determinacin de la geometra4.3. CONSTRUCCIN Y CALIBRACIN DEL MODELO4.3.1. Seleccin de los materiales

Pg.

16181819192021222222

2424495965656767

68696970707072

727273737676


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INTRODUCCION

Este proyecto, pretende determinar, por medio de un modelo hidrulico con

distorsin (Escala X 1:100 y Y 1:50), cuales estructuras (gaviones, bolsacretos,

gaviones - espigos y bolsacretos - espigos), se comportan mejor con las

condiciones de geometra y caudal del ro Negro, para evitar que el flujo del ro,

afecte la va Pacho La Palma en el km20+100, la cual ha sido casi arrastrada

por completo por el flujo del ro.

Para conseguir reproducir la geometra de la zona bajo estudio, se realizo un

levantamiento topogrfico, fijndose especficamente en detalles geomtricos del

lecho (Batimetra), bahas de inundacin y la va (Bordes de va y obras de arte

complementarias). De igual manera, se consigui informacin de caudales, por

medio del IDEAM, que cuenta con una estacin de aforo, unos 30km aguas abajo

del punto, para poder tambin simular las condiciones de flujo, a las que se ve

sometido el tramo objeto de estudio.

Posterior al trabajo de recopilacin de informacin topogrfica, se construyo un

modelo digital de la superficie en el programa Autodesk Land y Autodesk Civil

D i l l l i f i fi d l IGAC (Pl h


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Con el modelo terminado, se realizaron ensayos a caudal medio y mximo, para

cada estructura, tomando informacin directa del modelo, de nivel de agua y

caudal, para posteriormente por medio del programa grafico AutoCad, determinar

el rea mojada de cada seccin y completar la informacin necesaria, para

determinar velocidades medias y valores de energa especifica en los diferentes

puntos, y realizar el correspondiente anlisis. Tambin se observaron las lneas de

flujo principales y secundarias del flujo, lo que brindo una idea de cmo es el

comportamiento del flujo, dependiendo el tipo de estructura.

Al finalizar los ensayos, se pudo concluir con cierta certeza, cual de las estructuras

es la ms recomendable, para esas condiciones de geometra y flujo, adems de

otras condiciones tales como disponibilidad de material, facilidad de construccin y

menor costo y tiempo de ejecucin, cumpliendo de esta manera, con los objetivos

propuestos al inicio del proyecto.


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INTRODUCCIN

Este proyecto, pretende determinar, por medio de un modelo hidrulico con

distorsin (Escala X 1:100 y Y 1:50), cuales estructuras (gaviones, bolsacretos,

gaviones - espigos y bolsacretos - espigos), se comportan mejor con las

condiciones de geometra y caudal del ro Negro, para evitar que el flujo del ro,

afecte la va Pacho La Palma en el km20+100, la cual ha sido socavada casi por

completo por el flujo del ro.

Para conseguir reproducir la geometra de la zona bajo estudio, se realizo un

levantamiento topogrfico, fijndose especficamente en detalles geomtricos del

lecho (Batimetra), bahas de inundacin y va (Bordes de va y obras de arte

complementarias). De igual manera, se consigui informacin de caudales, por

medio del IDEAM, que cuenta con una estacin de aforo, unos 30km aguas abajo

del punto, para poder tambin simular las condiciones de flujo, a las que se ve

sometido el tramo objeto de estudio.

Posterior al trabajo de recopilacin de informacin topogrfica, se construyo un

d l di i l d l fi i l A d k L d A d k Ci il


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total). Con el modelo digital listo, se procedi a la impresin y construccin del

modelo hidrulico, con las escalas antes mencionadas.

Con el modelo terminado, se realizaron ensayos a caudal medio y mximo, para

cada estructura, tomando informacin directa del modelo, de nivel de agua y

caudal, para posteriormente por medio del programa grafico AutoCad, establecer

el rea mojada de cada seccin y completar la informacin necesaria, para

determinar velocidades medias y valores de energa especifica en los diferentes

puntos, y realizar el correspondiente anlisis. Tambin se observaron las lneas de

flujo principales y secundarias, lo que brindo una idea de cmo es su

comportamiento, dependiendo el tipo de estructura.

Al finalizar los ensayos, se pudo concluir con cierta certeza, cual de las estructuras

es la ms recomendable, para esas condiciones de geometra y flujo, adems de

otras condiciones tales como disponibilidad de material, facilidad de construccin y

menor costo y tiempo de ejecucin, cumpliendo de esta manera, con los objetivos

propuestos al inicio del proyecto.


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1. EL PROBLEMA

1.1 LNEA

El proyecto de investigacin desarrollado corresponde al GRUPO

INVESTIGATIVO CIROC a la lnea deEventos naturales y materiales de obras

civilessegn lo establecido por Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad de

La Salle.

Teniendo en cuenta el objetivo principal de esta lnea de investigacin, el cual

bsicamente busca Conocer, describir y evaluar los riesgos existentes

dentro de las diferentes reas de ingeniera civil con el propsito de

proponer posibles soluciones o alternativas, que ayuden a la mitigacin o

reduccin de esos peligros, con el fin de evitar vctimas humanas, y

disminuir prdidas econmicas . Este proyecto se ubico dentro de esta lnea,

pues el objetivo fundamental del proyecto, es reducir los daos causados por el

cause del ro Negro, sobre la va que comunica el municipio de Pacho con el

municipio de La Palma, a la altura del Km 20+100, donde se han producido

bl d i l i l ( d d il ) d i d l


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varios tramos de la va, en donde solo funciona un carril, debido a la inestabilidad

o ausencia del otro, generando perdidas econmicas debido al deterioro de la

estructura vial que repercute directamente en la calidad del transporte.

1.2 TTULO

ANLISIS DE FLUJO DEL RO NEGRO EN EL KM 20+100, VIA PACHO LA

PALMA PARA ESTABLECER ALTERNATIVAS QUE MITIGUEN LA

SOCAVACIN MEDIANTE LA ELABORACIN DE UN MODELO HIDRULICO.

1.3 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

El sujeto bajo estudio es el sector ubicado en el kilmetro 20+100 de la va

intermunicipal que comunica al Municipio de Pacho con el Municipio de La Palma

en el Departamento de Cundinamarca, cuya estructura esta siendo afectada por el

flujo del Ri Negro, generndose una socavacin tal, que parte de la banca esta

destruida, sus obras de drenaje estn bastantes deterioradas, ya que el problema

radica en la incidencia del cauce sobre la estructura, creando un problema

socioeconmico debido al bajo nivel de servicio de la va, pues su mal estado

i i d d l i d i d l h l


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Teniendo en cuenta el antecedente de obras realizadas (rehabilitacin de la va y

obras de contencin) y observando que no han dado solucin definitiva al

problema que all se presenta, entendiendo que la mejor manera de formular una

solucin es probando diferentes tcnicas de disipacin de energa, dentro de un

modelo fsico a escala en donde se simulen las condiciones reales a la que la

estructura esta expuesta y determinar cual es la mas recomendable.

Debido a la accin de flujo del ro Negro y a la inestabilidad de la zona, que trae

como consecuencia el deterioro de la infraestructura vial, se han realizado

estudios para la implementacin de estructuras de control y disipacin, a lo largo

de esta va, tales como gaviones, muros en concreto, espigos, geotextiles, al igual

que sistemas combinados, sin embargo, estas intervenciones en la mayora de los

casos, no han tenido resultados satisfactorios.

1.4 FORMULACIN DEL PROBLEMA

Que estructura de disipacin y control, es la ms conveniente para contrarrestar

los efectos de socavacin en las estructura vial, teniendo en cuenta caractersticas

de flujo (direccin y velocidad), mediante la utilizacin de un modelo hidrulico con

di i ?


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1.5 JUSTIFICACIN

Este trabajo de investigacin fue directamente enfocado a solucionar un problema

puntual en el kilmetro 20+100 va Pacho-La Palma, donde la corriente del Ri

Negro esta socavando el suelo adyacente a la va, generando problemas de

inestabilidad que con el tiempo destruyen la estructura. Este problema es

simplemente la muestra de uno de los tantos casos que son reincidentes en

nuestro pas, ya que debido a la ausencia de estudios adecuados, que permitan

prevenir o minimizar el dao, al Estado le cuesta miles de millones en prdidas

materiales, perjudicando a campesinos productores, transportadores y

consumidores.

Siguiendo la tendencia de implementar los modelos tanto fsicos como

matemticos para la solucin de problemas especficos, se decidi realizar un

modelo hidrulico con distorsin, que permiti simular las condiciones a las que se

ve sometida la estructura debido a la accin de Ro Negro, donde teniendo en

cuenta las variables que intervienen en el modelo, se propuso una solucin viable

a este problema, permitiendo realizar rehabilitacin de la estructura sin temor de

que vuelva a deteriorarse prematuramente, lo que representa menor inversin en

i j i l d i i d l


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1.6 OBJETIVOS

1.6.1 Objetivo general.

Determinar cual de las estructuras de disipacin de energa, permite controlar la

socavacin en la va Pacho - La Palma a la altura del Km. 20+100, utilizando un

modelo hidrulico a escala.

1.6.2 Objetivos especficos.

Recopilar informacin relacionada (construccin de modelos fsicos, flujo de

agua y socavacin, estudios e informacin existente del ro Negro y va Pacho-

La Palma).

Determinacin de variables que inciden en la realizacin del modelo hidrulico

(variables de frontera, flujo y fluido).

Establecer las diferentes variables que intervienen en el modelo hidrulico.

Determinar la escala ms conveniente para la construccin del modelo. Construir el modelo fsico y estructuras de disipacin a escala.

Ajustar el modelo y equipos a utilizar (calibraciones, pruebas y verificaciones).


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dao de la estructura vial (Gaviones, bolsacretos, gaviones con espigos y

bolsacretos con espigos).


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2. MARCO REFERENCIAL

2.1 MARCO TERICO

Un ri es un sistema dinmico donde se producen cambios y modificaciones a

mediano y largo plazo como consecuencia de acciones externas debido a que sus

contornos no son fijos (cambios en planta y en superficie).

Se debe hacer nfasis en la geomorfologa del sitio en estudio ya que al interpretar

las diversas formas que se presentan en la superficie terrestre se puede llegar a

establecer la gnesis y caractersticas generales de los suelos. Conocimiento

fundamental para estimar cual puede ser su ms probable comportamiento frente

a procesos de erosin y por tanto, determinar hasta donde podran llegar las orillas

de los ros. De esta manera, se puede definir cual es la zona de divagacin ms

reciente y hasta donde se extiende la llanura aluvial.

A lo largo de una corriente de agua se presentan etapas fcilmente diferenciables

y que se deben identificar para poder evaluar su conducta erosiva.


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En el siguiente esquema se diferencia fundamentalmente las edades de las

corrientes de agua a las cuales se les da una importancia relevante a la etapa de

formacin o niez ya que es bsica en el estudio del proceso erosivo y de

socavacin, La erosin que se produce en esta etapa es de tipo laminar, en surcos

y en crcavas, siendo el rea que mayor aporte de sedimentos hace por concepto

de erosin. Son caractersticos adems pequeos cauces semirrectos con

cambios bruscos de pendiente y direccin, as como cauces en V con fuertes

taludes laterales1.

FIGURA 1. Representacin esquemtica de las etapas de un ro en reas de montaa tropical.2


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forma de la trayectoria que desarrolla el ro en su recorrido. Se pueden diferenciar

tres tipos de trazados los cuales se explican como un equilibrio instantneo entre

las fuerzas que producen erosin y las que la resisten.3Estas formas en planta se

denominan sinuosas, trenzadas y meandricas, las cuales pueden caracterizar una

misma corriente en diferentes sectores de ella, as como tambin pueden estar

determinados por cambios de caudal en diferentes pocas del ao.

FIGURA 2. Tipos principales de cauce.4


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La forma sinuosa es unicanal tiende a ser mas estable, es de anchura regular y

posee un movimiento que hace mas predecible su comportamiento con

coeficientes de sinuosidad inferiores a 1.5 donde no se aprecian curvas en el

cauce, si bien la lnea del thalweg se desplaza alternativamente de una orilla a la

otra hacindose ms visibles en aguas bajas. A pesar de que la corriente trata de

divagar, las pendientes altas y los controles geolgicos y topogrficos condicionan

a mantener un cauce relativamente recto; a ambos lados de la corriente de agua

se producen sedimentaciones en forma de playones y barras5. En general los ros

rara vez son rectos por tramos superiores a unas diez veces la amplitud de su

canal.

Los cauces trenzados van creando islas, son cauces de gran anchura, son

altamente inestables (divagantes), sus brazos son menores y tienen la

caracterstica de transportar grandes cantidades de slidos, bsicamente se

exponen en zonas llanas. Estos son patrones de canales que dan origen a la

geoforma aluvial conocida como llanura aluvial de ri trenzado bsicamente un ri

trenzado es segn Villota Aquel cuyo lecho mayor se divide en varios canales

menores que sucesivamente se bifurcan y renen aguas abajo, separados por

numerosos islotes y playones llamados conjunto barras de cauce6


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Por ultimo se presentan los cauces o canales meandricos los cuales se

caracterizan por una pendiente suave, con transporte de sedimentos finos, el

tamao de los meandros es directamente proporcional al tamao de la corriente, y

la amplitud del cinturn de ellos es equivalente a unas 15 20 veces el ancho

promedio de la corriente que los origina. En los ros meandritos se desarrolla un

proceso de erosin y sedimentacin de manera simultanea en sus propias orillas,

producindose erosin en la externa y sedimentacin en la interna, tenindose un

equilibrio como se muestra en la figura.

FIGURA 3. Procesos de erosin y sedimentacin.7

Por su parte Villota anota que una corriente se mueve en todo meandro en un

patrn de flujo helicoidal con una considerable elevacin de la superficie del agua

contra la orilla externa o cncava determinada por la fuerza centrfuga; de esta

forma, en cada curva se originan dos componentes de la corriente, uno de


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socavacin, desplome y erosin de la parte exterior del meandro y la deposicin

en la parte interior, deposicin que tendr lugar en la orilla interna del siguiente

meandro.8

El tipo de curvas en los meandros puede ser muy diferente de unos ros a otros

pudindose diferenciar en subtipos como los que se representan a continuacin:

FIGURA 4. Clasificacin de los meandros.9

Ahora bien, se hablara de una variable fundamental en los procesos fluviales la

velocidad del agua y la distribucin de la tensin de arrastre asociada a la

distribucin de velocidades dentro del cauce de tal modo que la velocidad del agua

vara en cada punto de la columna de agua, siendo mnima en las proximidades

del permetro del cauce y mxima hacia el centro de la seccin.


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Asociada a una variacin de la velocidad dentro de cada seccin y a una variacin

de esta velocidad aguas abajo, est la presencia de flujos secundarios o

trayectorias helicoidales de las lneas de corriente las cuales tienen un significado

especial en el desarrollo de meandros y en la formacin de rpidos y remansos de

los tramos rectos.

Segn Jaime Surez Daz la velocidad promedio generalmente ocurre a una

profundidad de 0.6D, La velocidad en sentido lateral es de aproximadamente diez

a veinte por ciento de la velocidad en la direccin de la corriente en meandros de

ros maduros y de treinta a cincuenta por ciento en curvas de ros de montaa

(Thorne 1989). Este movimiento arrastra el suelo erosionado, el cual se deposita

ms adelante en las riberas interiores del cauce. En ste proceso se produce un

avance del ro lateralmente y hacia adelante de la curva.10

En el movimiento del agua intervienen dos factores o fuerzas: la gravedad que

acta en la direccin aguas abajo y la friccin que se opone a este movimiento. La

relacin resultante de ambas fuerzas determina la capacidad de la corriente para

erosionar y transportar sedimentos.

L f d f i i d i l i i l d


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siendo proporcional al gradiente de velocidades y equivalente a la componente del

peso del agua paralela a la superficie de desplazamiento.

Experimentalmente se ha comprobado que esta energa hidrulica de la corriente,

en funcin de la magnitud del caudal y de la superficie del cauce, est muy

relacionada con la fuerza que presenta el ro en un determinado momento para

rectificar el trazado o seccin impuestos por la mano del hombre alterndolos o

destruyndolos cuando no responden a su dinmica natural.

FIGURA 5.Distribucin de velocidades en la seccin del cauce de un ri.11

FIGURA 6. Velocidades, corrientes secundarias y fuerzas de traccin sobre el cauce.12


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Las velocidades en un canal no estn uniformemente distribuidas. Esto se explica

por los efectos que la resistencia cortante del fluido en movimiento tiene en

distintos puntos. La figura 6 muestra la distribucin de velocidades en un canal de

seccin rectangular. Las lneas continuas del centro de la figura corresponden a

istacas (curvas de puntos de igual velocidad); las lneas laterales son los perfiles

de velocidad en las correspondientes secciones verticales.

Las siguientes ecuaciones pueden servir para relacionar la velocidad promedio

con la velocidad real en el fondo de la corriente:

Vv = ____________V____________0.68 log10 (y/ks) + .71

Donde:

Y = Profundidad del agua.

ks = Altura de rugosidades del lecho que puede tomarse igual a D50 del material

del lecho.

V = Velocidad promedio de la seccin hidrulica.

Vv(10%)= 0.74 a 0.90 V

Donde:


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De acuerdo a las caractersticas de la velocidad y al nmero de Reynolds y Froude

el flujo puede clasificarse de las siguientes formas:

Uniformidad de la velocidad a lo largo del canal.

Variacin de la velocidad con el tiempo.

Turbulencia.

Estado de velocidad.

En la mayora de las corrientes el flujo es variado, irregular y turbulento. En las

corrientes de montaa el flujo generalmente es rpido y en las zonas semiplanas

el flujo es comnmente tranquilo.

Es necesario definir una clasificacin del tipo de flujo la cual depende del cambio

en la profundidad de flujo con respecto al tiempo y al espacio.

Ven Te Chow hace una clasificacin precisa del tipo de flujo:

Flujo permanente:Se dice que el flujo dentro de un canal abierto es permanente si laprofundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo detiempo en consideracin.

Flujo no permanente: El flujo es no permanente si la profundidad cambia con el

tiempo. Flujo uniforme: El flujo es uniforme si la profundidad de flujo es la misma en cada

seccin del canal este puede ser permanente o no permanente, segn cambie o no laprofundidad con respecto al tiempo.

Flujo variado:El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal,el flujo variado puede ser permanente o no permanente.

Flujo rpidamente variado y gradualmente variado: Se da si la profundidad del agua


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Una caracterstica fundamental de los sistemas abiertos, es su capacidad para

autorregularse, adaptndose a factores externos de forma que mantengan el

estado de equilibrio alcanzando cierta estabilidad. En los cauces fluviales este

equilibrio esta referido a la regulacin de la morfologa y dinmica ante variables

de control o independientes como son el rgimen de caudales y sedimentos. Se

dice que un fondo se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de

sedimentos (en suspensin y por el fondo) cuando no sufre modificacin en su

cota.

El trmino socavacin de un ro se puede referir al descenso del fondo motivado

por un fenmeno de dinmica fluvial, que puede ser natural o inducido por una

actuacin humana, un desequilibrio en el fondo es una posible erosin o

socavacin.

La cuantificacin de dicha erosin y su progresin es muy difcil de prever, pero se

deben aplicar conceptos ms claros sobre un completo equilibrio del sistema y una

herramienta sencilla para entender cualitativamente, aunque con limitaciones, el

fenmeno de equilibrio de fondo es la Balanza de Lane (1955), que propone una

relacin entre cuatro variables:

C d l l id i i


37/199

FIGURA 7.Analoga de la balanza de Lane (1955).14

La balanza permite determinar el comportamiento de un ro si se varan sus

condiciones de equilibrio natural de manera que, una variacin en el peso

(caudales unitarios lquido o slido) o una variacin en el brazo de palanca,

pendiente o tamao de la partcula, conducir a un desequilibrio erosivo o de

sedimentacin. Para cada problema concreto se ha de valorar que parmetros de

la balanza han provocado el desequilibrio y cules se pueden reajustar para

devolver la posicin vertical de equilibrio. Cuando los caudales lquido y slido de

un ro no estn equilibrados se tendr un exceso de transporte de fondo

(sobrealimentacin) o un defecto (subalimentacin), y por eso se producir una

sedimentacin o erosin respectivamente 15


38/199

El problema de socavacin es extremadamente complejo puesto que las

condiciones del flujo en el foso de socavacin, inclusive de turbulencia, son

difciles de evaluar. Adems la interaccin entre los sedimentos y las variables de

flujo no son fciles de cuantificar. Por eso, hasta ahora la prediccin de la

socavacin est principalmente basada en resultados empricos.

Al hablar de socavacin debemos tener en cuenta ciertos parmetros de lo que es

erosin y posteriormente hacer una discrepancia en relacin a estos dos.

Segn Jaime Surez Daz el movimiento del agua que circula por el cauce de una

corriente de agua produce el desprendimiento y transporte de los materiales que

conforman su permetro mojado16. A partir de este enunciado se dice que existen

dos tipos de erosin hidrulica, el primero trata de una erosin lateral en la cual

se amplia su ancho haciendo que la altura de los taludes aumente y el segundo se

dice que es una erosin de profundizacin del cauce, estas dos dependen de la

caracterizacin de los materiales de fondo del lecho, caractersticas del flujo de

agua y de la forma de su cuenca y/o zona de divergencia del cauce.

Existen diversos mecanismos de erosin los cuales incluyen tres procesos

b i


39/199

Transporte de las partculas desprendidas.

Depsito o sedimentacin.

Estas fuerzas que actan o fuerzas tractivas dependen de algunas caractersticas

como la velocidad del flujo que algunas veces se relaciona directamente con la

erosin ocasionando una velocidad critica en la cual se indica el movimiento de las

partculas de suelo, la turbulencia, los caudales, la forma, rugosidad del canal y la

resistencia del suelo a la fuerza tractiva que depende de la estructura y las

interacciones fsicas y qumicas del suelo.17

Ahora bien, se debe diferenciar la socavacin de la erosin no recuperable en el

sentido de que despus de que pase la creciente o se elimine la causa de la

socavacin en procesos posteriores, comnmente se vuelven a depositar

sedimentos en un proceso cclico, y se puede recuperar el nivel del fondo del

cauce18.

Se puede decir que la socavacin esta controlada por las caractersticas

hidrulicas del cauce, las propiedades de los sedimentos del fondo y la forma y

localizacin de los elementos que la inducen. Esta socavacin es generada por el


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de arrastre de material slido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud

de su gran velocidad.

Segn lo describe el autor, se presentan dos formas de socavacin dependiendo

de si existe o no movimiento de sedimentos en el cauce:

Socavacin en lecho mvil: Se presenta cuando hay transporte de sedimentos

desde el lecho aguas arriba hasta el sitio del ponteadero, quedando por lo tanto

parte de este sedimento atrapado en el hueco de socavacin.

Socavacin en lecho fijo o agua clara:Se presenta cuando no hay transporte de

sedimentos desde el lecho aguas arriba, al sitio del ponteadero, por lo cual no hay

reabastecimiento del hueco socavado.19

Al analizar o evaluar la socavacin se tienen presentes cuatro componentes:

Socavacin no recuperable, Socavacin por aumento del caudal, Socavacin por

contraccin del cauce e Inestabilidad geomorfolgica de la corriente.


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Jaime Surez describe claramente estos cuatro componentes:

Socavacin no recuperable:Hace referencia al cambio en el nivel del fondo del caucecon el tiempo, a 10, 50, 100 o 500 aos. El conocimiento de esta degradacin puedepermitir encontrar grandes profundizaciones del cauce durante la vida til de unaestructura.

Socavacin por aumento del caudal:Al aumentar el caudal la velocidad aumenta y seproduce erosin en el fondo de la corriente. Al bajar el nivel esta socavacin se recuperanuevamente por socavacin.

Socavacin por contraccin del cauce: Se genera por la disminucin del ancho delcauce, originando grandes caudales y por ende excesivas velocidades en la contraccin,producindose socavacin del fondo del cauce en el sector contrado.

Inestabilidad geomorfologica de la corri ente:Los niveles del fondo del cauceen sitiosespecficos se modifica necesariamente por la movilidad lateral de la corriente. 20

La erosin del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es

una cuestin de equilibrio entre el aporte slido que pueda traer el agua a una

cierta seccin y el material que sea removido por el agua de esa seccin y al

aumentar la velocidad del agua, aumenta tambin la capacidad de arrastre.

Se entiende por socavacin general el descenso del fondo de un ro que se

produce al presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad de

arrastre de material slido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de

su mayor velocidad.

Habitualmente esta socavacin es una erosin general de todo el cauce y no

depende de que exista o no un puente u otra estructura. la socavacin general

tiene como resultado una disminucin en el nivel del fondo del cauce y en los


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oleoductos y otras estructuras colocadas en el cauce del ro.21

Para controlar esta socavacin producida por el transporte de los materiales del

lecho del ri se realizo un estudio profundo de la disipacin de energa cintica, la

cual se demostrara mas adelante, ya que al paso del agua por el canal o ri se

genera una descarga que contiene gran cantidad de energa y mucho poder

destructivo debido a sus altas presiones y velocidades las cuales causan erosin

y socavacin en el lecho del ri poniendo en peligro las estructuras hidrulicas y

las estructuras mismas de conduccin.

La disipacin de la energa cintica puede lograrse aplicando y colocando

diferentes disipadores de energa.

Para la seleccin del tipo de disipador se debe tener presente las siguientes

consideraciones:

Energa de la corriente.

Economa y mantenimiento ya que ste eleva mucho el costo.

Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc).

Ubicacin de las vas de acceso, casa de mquinas, y dems estructuras


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Efecto de las sub-presiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.

Daos causados a la fauna y la flora por la erosin.

Proyectos y poblaciones aguas abajo.22

Surez Daz presenta algunos sistemas para controlar la socavacin:

Construccin de estructuras para manejar el flujo y disminuir la

profundidad de socavacin, como estructuras de cada o revestimiento de

la zona expuesta a socavacin.

recubrimiento del cauce, en el que podemos utilizar el enrocado el cual

vara en cuanto tamao, forma y masa del diseo.

Constructivos de cimentaciones profundas muy por debajo del nivel de

socavacin esperada.

Construccin de estructuras flexibles que se adapten a la socavacin. Un

ejemplo son los gaviones.23

Ahora bien, muchos de los problemas causados por fenmenos naturales

relacionados con la hidrulica son en ocasiones tan complejos que la utilizacin de

un modelo matemtico no es lo suficientemente precisa como para asegurar que la

solucin propuesta es la apropiada, puesto que en los modelos matemticos se


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entrega resultados inapropiados que hay que interpretar o completar por medio de

tcnicas experimentales.

Es aqu segn narra Miguel A. Vergara donde juega la modelacin hidrulica un

papel importante en la solucin de problemas en materia de control de riego y

drenaje, generacin de energa elctrica, propagacin de oleaje, accin de mareas

y corrientes, movimiento de sedimentos, estructuras de proteccin, embarcaciones

atracadas, erosin y sedimentacin de causes entre otros.24

Estos modelos consisten en el ensayo de una replica del problema a escala

reducida. La replica reducida es lo que llamamos modelo, frente a la realidad que

denominamos prototipo. Segn Martn Vide estos modelos son todava

necesarios porque el calculo es imperfecto debido principalmente a la complejidad

de los fenmenos de turbulencia y a la dificultad que imponen los contornos

reales, tridimensionales y caprichosos (piense en un ri).25

En general las modelaciones, ya sea fsica o matemtica, tiene que definir en

forma clara, cuales son las variables que intervienen y las condiciones de frontera

en las que se encuentra, de tal forma se podr determinar que tipo de modelacin

i li i i li b i d d l i d


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La base de los modelos reducidos es la teora de la semejanza que mas adelante

se hace una descripcin particular. La semejanza dinmica completa entre el

modelo y el prototipo es imposible, cada fuerza presente en el problema se reduce

de una manera diferente (no en la misma proporcin) de prototipo a modelo; sin

embargo segn lo describe Martn Vide el modelo puede ser aun una buena

representacin del movimiento real si una fuerza es tan dominante sobre las

dems (o sea, si representa la casi totalidad de la resultante, igualada a las

fuerzas de inercia) que tambin, pese a la diferente proporcin en que se reducen,

es dominante en el modelo.

La fuerza de gravedad domina los problemas de obras hidrulicas y de ingenieria

fluvial. La ley de semejanza en este caso, llamada semejanza de Froude,

garantiza que esta fuerza en su proporcin con la resultante se reproduce

correctamente en el modelo.26

Las escalas de semejanza ms tiles que se deducen de la semejanza de Froude

son la velocidad y el caudal. Si una fuerza menor (de viscosidad, de tensin

superficial) toma en el modelo una importancia como para alterar el movimiento,

hablamos de un efecto de escala.


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corriente.

TABLA 1.Factores a tener en cuenta en el anlisis de un ri (Modificado de WinKley, 1982).27

FACTOR VARIABLE

TIEMPOHistoria geolgica. Tiempo moderno. Tiempo reciente. Tiempo futuro deanlisis

GEOLOGALitologa. Tectonica. Estructura. Geomorfologa. Meteorizacin.Heterogeneidad geolgica.

SUELOSTipo, gradacin y peso especfico. Distribucin de los diferentes tipos de sueloen la cuenca. permeabilidad-infiltracin. Cohesin y friccin.

HIDROLGICA Lluvias anuales mensuales diarias horarias. Intensidad y duracin de laslluvias. Caudales. Tipo y forma de hidrograma.

COBERTURAVEGETAL

Tipo de vegetacin. % de cobertura vegetal y su distribucin. Practicas decultivos. Modificaciones de la cobertura por accin antropica.

TOPOGRAFA

Topografa, pendiente, morfologa de la cuenca. Perfil longitudinal del ri.Morfologa en planta, tipo del ri (semirrecto, sinuoso, trenzado, meandrico)Sinuosidad, radios de curvatura, ancho de divagacin, distancia entremeandros, distancia entre barras o islas, alineamiento general, seccin, forma,ancho, profundidad, fondo, forma de dunas o barras, rpidos y fosas.

HIDRULICA Pendiente del flujo. Rugosidad del fondo del cauce. Velocidad. Distribucin develocidades. Radio hidrulico. Fuerza tractiva. Resistencia al flujo. Poder de lacorriente.

SEDIMENTOSDisponibilidad y localizacin de sedimentos. Granulometra de la carga defondo, granulometra de partculas en suspensin. Velocidad de cada.Mecnica del transporte.

ALTERACIONES DEORIGEN

ANTRPICO

Sitios, volmenes y procedimientos de explotacin de materiales en el cauce yriberas. Localizacin y caracterizacin de estructuras en ri (puentes, etc.).estructuras de orilla. Canales de riego.

Teniendo claro las variables y factores del anlisis dimensional del modelo y

partiendo de la necesidad de ejecutar trabajos experimentales sobre algn

problema en particular, Miguel A. Vergara nos recomienda planear dichaexperimentacin, en la cual se establecen, ordenan y examinan, en forma

adecuada, todos los aspectos que integran esta actividad para cumplir con los


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es necesario tener en cuenta algunas consideraciones importantes para la

realizacin de un modelo hidrulico:28

Planteamiento de la hiptesis (trabajo a realizar).

Decisin del experimento (recursos econmicos y humanos).

Construccin de las instalaciones (Determinacin de la escala de acuerdo

con las variables establecidas para el estudio).

Realizacin del experimento (Calibracin, pruebas y verificacin).

Anlisis de la informacin (mtodos de procesamiento de la informacin y

anlisis de los resultados).

Conclusiones (dar respuesta a los objetivos originalmente planteados e

indicar si la hiptesis es valida o no).

Informe.

En un fenmeno fsico se identifican el conjunto de variables que intervienen en el,

con un anlisis dimensional de dichas variables se pueden establecer las

relaciones entre las variables, mediante una ecuacin que debe ser

dimensionalmente homognea.

En general las magnitudes fsicas se clasifican en dos grupos: las bsicas o

fundamentales y las derivadas o secundarias. Las del primer grupo son


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velocidad(v), gastos(Q), fuerza(F), o cualquiera otra (x) en funcin de las

primeras.29

Todas las variables conforman tres grupos: el primero lo conforman las que

describen geomtricamente las fronteras, en ellas se describen la rugosidad, el

perfil transversal de la seccin y longitudinal del conducto. El segundo grupo

describe las variables de flujo las cuales hablan de presin, velocidad y

aceleracin debida a la gravedad. Por ultimo se describe las variables de fluido

que relacionan la dinmica, tensin superficial, modulo de elasticidad y densidad.

La similitud completa del sistema a superficie libre modelo prototipo se presenta

al cumplirse las relaciones de las magnitudes fsicas homologas como la dinmica,

cinemtica y geometra. Para lograr la similitud geomtrica se debe tener en

cuenta la escala de longitudes:

EL= Lprototipo/Lmodelo

En cuanto a la similitud cinemtica se necesita que se cumpla con la similitud

geomtrica y las escalas de velocidades y tiempos.

Ev= Vprototipo/Vmodelo ET= Tprototipo/Tmodelo


49/199

- Friccin (Ff). Tensin superficial (Ft) - Gravedad (Fg)

- Inercia (FI) - Coriolis (Fc)

Para lograr la similitud dinmica se debe tener en cuenta que el poligono de

fuerzas que acta sobre el puntos homlogos debe ser geomtricamente similar,

es decir la relacin de fuerzas homologas debe ser un factor constante en todo el

sistema.30

Ff prototipo / Ff modelo = Ft prototipo / Ft modelo = Fg prototipo /Fg modelo = FI prototipo / FI modelo

La determinacin de la escala del modelo, se caracteriza de acuerdo a los

parmetros de fondo, que clasifican el modelo como de fondo fijo (donde los

niveles y parmetros de flujo son determinantes) y de fondo mvil (relacionado con

problemas de estabilizacin de causes).

Partiendo de la informacin recopilada para el estudio pertinente la escala es

escogida basndose principalmente a estos parmetros:

Rugosidad: cuando la rugosidad resulta mnima.

Flujo: cuando este no corresponda al modelo desarrollado (rugoso o

turbulento).


50/199

TABLA 2. Escalas lineales comunes en modelos hidrulicos.31

MODELOS DE: ESCALAS LINEALES OBSERVACIONES

Obras hidrulicas de 1:10 a 1:70 Modelo sin distorsin y de fondo fijo

Penetracin de oleaje de 1:50 a 1:200 Para modelos de fondo fijo con y sin distorsinEstabilidad de estructuras

bajo la accin de olasde 1:20 a 1:80

Modelos de fondo fijo sin distorsin.Recomendable usar oleaje irregular

Maniobras de embarcaciones de 1: 100 a 1:150Modelos sin distorsin de fondo fijo.Recomendable usar oleaje irregular

Transporte litoral de 1:50 a 1:60Modelos de fondo fijo con trazado. Modelos de

fondo mvil. Distorsin recomendable hasta 5Erosin local por oleaje de 1:80 a 1:100 Modelos de fondo mvil sin distorsin

Flujo en ros y canalesEx de 1:250 a 1:1000

Ey de 1:50 a 1:100

Modelos con distorsin de fondo fijo.

Distorsin mxima de 10

Erosin local por corrientes de 1:20 a 1:60 Modelos de fondo mvil sin distorsin

Transporte de sedimentos enros

Ex de 1:100 a 1:500

Ey de 1:50 a 1:100

Modelos de fondo mvil con distorsinrecomendada de 5

EstatutariosEx de 1:200 a 1:2000

Ey de 1:50 a 1:100

Modelos distorsionados con fondo fijo.

Distorsin recomendada de 5 a 10

La construccin del modelo debe realizarse sobre bases slidas donde no exista la

posibilidad de asentamientos que afecten el funcionamiento del mismo, de la

misma manera deben construirse sistemas de desage alrededor del modelo (por

si existen filtraciones de agua) y reabastecimiento apropiados para la practica y

continua operacin del mismo.

Para impedir el fenmeno de socavacin se hace necesario implementar

estructuras de encauzamiento o de proteccin estas obras civiles permiten reducir


51/199

Las obras se pueden definir como eventuales o permanentes, eventuales en el

caso de dragados y permanentes como obras verticales marginales o

longitudinales no agresivas en las que el criterio de diseo es su esbeltez, el suelo

de empotramiento, la cota de control y su valor econmico, en estas se puede

clasificar algunas como los enrocados, pastos gramillas, prefabricados,

bolsacretos, colcha gavin y flexo adoquines. Existen otras obras permanentes

como las estructuras transversales agresivas donde clasifican los espolones o

espigos.

2.2 MARCO CONCEPTUAL

A continuacin se precisa el significado de los trminos ms usados durante el

desarrollo de la investigacin, desde los principios bsicos de disipacin de

energa para controlar la socavacin hasta algunos conceptos indispensables de

modelacin hidrulica y alguna terminologa, de gran ayuda en el avance de la

investigacin.

Modelos hidrulicos: este trmino corresponde a un sistema que simula un

objeto real llamado prototipo, mediante la entrada de las variables que se

procesan y presentan en forma adecuada para emplearse en el diseo y


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Modelacin matemtica:solucin de ecuaciones predeterminadas que describen

el problema, que utiliza una serie de tcnicas desarrolladas por computador,

siendo las mas utilizadas el mtodo elementos finitos y el de diferencia finitas.

La efectividad de este mtodo esta relacionada con los costos de exploracin,

donde intervienen factores como exactitud de los datos iniciales, tipo de fenmeno

a estudiar, exactitud de las ecuaciones que rigen el fenmeno, forma de aproximar

las ecuaciones y evolucin del modelo.

Modelacin anloga:se refiere a la comparacin de dos fenmenos, que aunque

diferentes, las ecuaciones que los describen son idnticas, lo que permite buscar

en un problema de menor dificultad la solucin `para un problema mas complejo,

siendo los mas utilizados: Analoga entre un flujo a travs de medios permeables y

flujo laminar en capas delgadas (modelos de Hele-Shaw), analoga entre flujo

laminar y flujo turbulento, analoga entre un flujo a travs de medios permeables y

la deformacin de una placa elstica bajo carga, analoga elctrica y otros

fenmenos fsicos ( como hidrulicos, mecnicos, etc.).

Modelacin fsica reducida:bsicamente este tipo de modelos debe de cumplir

di i d i ili d i i i di i b


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Modelo con distorsin: Existen por lo menos dos escalas de lneas diferentes,

una para longitudes horizontales (Ex) y otra para longitudes verticales (Ey) en esta

la distorsin geomtrica = Ex/Ey ser siempre mayor que 1, esta distorsin

implica otras distorsiones por ejemplo en las aceleraciones horizontales y

verticales, esta distorsin se origina por la rugosidad, el flujo, razones de espacio y

equipo de medida.

Erosin: proceso en el cual la accin de la fuerza del agua en movimiento que

circula por el cauce de una corriente genera desprendimiento, transporte y

depsitos de materiales del suelo o de la roca que conforman su permetro

mojado, esta erosin es generada tanto por el agua como por el viento.

Socavacin: esta determinada por la profundizacin del nivel del fondo del cauce

de una corriente causada por el aumento del nivel de agua en las crecientes,

modificaciones en la morfologa del cauce o por la construccin de estructuras en

el cauce como puentes, espigones, etc.

La socavacin comprende el aumento de la capacidad de arrastre y levantamiento

de material del lecho del ri, en virtud de su mayor velocidad. Esta controlada por

l i hid li d l l i d d d l di d l


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Socavacin en curvas: cuando un ro describe una curva existe una tendencia en

las franjas lquidas situados ms lejos del centro de curvatura a recorrer ms

aprisa que los situados ms hacia el interior; como consecuencia, la capacidad de

arrastre de slidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la

profundidad de erosin es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en la

interior. El efecto es importante ya que al disminuir la velocidad la curva aumenta

el depsito en esta zona y, por ello, disminuye la zona til para el flujo del agua y

al aumentar la profundidad y el rea hidrulica, aumenta el gasto.

Socavacin local: se debe a una perturbacin del lecho causada por vrtices

originados por alguna singularidad del escurrimiento, tal como la presencia de un

obstculo, el cambio de direccin del flujo, la implantacin de obras en un cauce

aluvial y cambios bruscos de lecho fijo a lecho mvil.

Disipacin de energa: el agua en su recorrido acumula una gran fuerza

energtica, la cual es aprovechada para la realizacin de determinado trabajo til,

otras veces esta energa debe ser atenuada o disminuida para evitar la erosin de

sus medios de conduccin o descarga final. A esos medios destinados a reducir la

energa cintica del agua, se llama disipadores de energa.


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Lecho menor:este se conoce como el ri propiamente dicho, por el cual circulan

las aguas bajas y probablemente medias, ya que en aguas altas despus de

desbordado, circulan por parte del lecho mayor. Se encuentran limitado en las

orillas generalmente por taludes verticales que sufren procesos de socavacin

lateral.

Llanura aluvial: parte orogrfica que contiene un caucey que puede ser inundada

ante una eventual crecidade las aguas de ste. Muchas veces la topografade las

llanuras costaneras de los ros est en forma de conos, llamado cono de

deyeccin, lo que significa que el lecho del ro podra desplazarse con bastante

facilidad, inundando zonas alejadas del lecho principal actual. Dichas zonas

constituyen zonas interesantes para el desarrollo del riego, debido a la topografa

favorable como para desviar agua del ro hacia cualquier punto de su zona aluvial.

Se trata entonces se zonas vulnerables.

Perfil longitudinal del cauce: flujo de las aguas, junto con la geologa

subyacente y el tamao de las partculas de la carga de transporte, determina el

tamao, forma y longitud del cauce. Su perfil longitudinal se denomina gradiente

del cauce (pendiente), cuya expresin grfica es la distancia entre su nacimiento y

l i l d b l b j l i id d d
http://es.wikipedia.org/wiki/Caucehttp://es.wikipedia.org/wiki/Crecidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Topograf%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_%28geometr%C3%ADa%29http://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Riegohttp://es.wikipedia.org/wiki/Zonas_vulnerableshttp://es.wikipedia.org/wiki/Zonas_vulnerableshttp://es.wikipedia.org/wiki/Riegohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_deyecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cono_%28geometr%C3%ADa%29http://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADohttp://es.wikipedia.org/wiki/Topograf%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Crecidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauce


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El perfil longitudinal de un ro, describe la forma en el que ste vara su cota a lo

largo de su longitud y recorrido; de tal modo que el perfil longitudinal reflejar la

pendiente de cada tramo, determinada por las condiciones impuestas por el tramo

aguas arriba. El perfil de un cauce es, por lo general, cncavo y muy pocas veces

llano; est formado habitualmente por segmentos individuales, asociados a la

existencia de niveles de base locales con una pendiente que va disminuyendo

desde zonas con mayor erosin hasta zonas de mayor sedimentacin de las

zonas bajas.

Hay gran cantidad de variables que determinan la pendiente de un cauce, entre

ellas tenemos como ms importantes: el caudal, la carga de sedimentos, tamao

del sedimento, geologa del terreno etc. Generalmente la pendiente del cauce

disminuye a medida que aumenta la superficie de la cuenca vertiente. 34

Geometra hidrulica: este parmetro se refiere comnmente a la seccin

transversal del cauce y su estudio se basa en las relaciones existentes entre el

caudal y la anchura del cauce, la profundidad, la velocidad del agua y la carga de

Sedimentos entre otros.

C d di l hid li d i d l i l


57/199

el caudal, y las que se refieren a las distintas secciones hacia aguas abajo, en

este caso relativas a un determinado caudal generalmente dominante o tambin

llamado Bankfull.35

FIGURA 8.. Distribucin de la geometra hidrulica en un cauce aguas abajo.

Seccin transversal: forma de la seccin transversal de una corriente depende

del sitio del canal, de su geometra en planta, del tipo del canal y de las

caractersticas de los sedimentos. La seccin transversal en una curva es ms

profunda en el lado exterior o cncavo del canal con un talud lateral prcticamente

vertical y es poco profundo en la barra de punto que se forma en el lado convexo o

interior de la curva. En los sectores rectos el canal tiende a ser un poco ms

trapezoidal o rectangular aunque generalmente siempre existe un sitio de mayor

profundidad correspondiente a la localizacin del thalweg.


58/199

parmetros siguientes: rea (A), ancho (w), relacin ancho profundidad (w/d),

profundidad promedio (d), permetro mojado (longitud total del permetro por

debajo del nivel de agua), radio hidrulico (R) (rea/permetro mojado) y

capacidad del canal (AR2/3).

Frontera de fondo fijo: variacin de niveles y las velocidades del flujo son

parmetros determinantes, es el caso de proyectos de control de crecientes, de

navegacin y de irrigacin.

Frontera de fondo mvil: se emplean para estudiar los problemas relacionados

con la estabilizacin de cauces de ros o canales. Se reducen las variables del

flujo combinadas con las de sedimentacin y la mecnica de transporte. 36

Rugosidad: cuando hay necesidad de establecer en el modelo la condicin de

similitud de friccin entre el fluido en movimiento y las fronteras slidas de flujo,

esta cantidad depende del tamao, de la forma y la distribucin de la propia

rugosidad.

Thalweg: lnea central de la corriente en la cual el cauce es ms profundo y el

fl j l id d T d l i l

th l El th l l t ti t d i di d l d l t


59/199

thalweg. El thalweg generalmente tiene una tendencia a divagar de un lado al otro

del cauce y tratar de tomar la lnea exterior del cauce en las curvas.37

Gaviones: recipiente por lo general paraleleppedo, de malla de alambre

galvanizado lleno de cantos de roca. En ros de caudal y pendiente estables se

depositan sedimentos del ri dentro de los poros del gavin y en algunos casos se

forman plantas de crecimiento espontneo que originan la formacin de un bloque

solid que aumenta en forma importante la vida til de los gaviones.

Los muros en gaviones funcionan como muros de gravedad y su diseo sigue la

practica Standard de la ingenieria civil. Se debe tener muy en cuenta el amarre

entre unidades de gaviones para evitar el movimiento de unidades aisladas y

poder garantizar un muro monoltico. Por su flexibilidad los gaviones pueden

deformarse fcilmente al ser sometidos a presiones, diferencindose un poco su

comportamiento de los muros convencionales.38 El muro puede flectarse sin

necesidad de que ocurra su volcamiento o deslizamiento y es comn encontrar

deflexiones hasta el 5% de la altura.

Bolsacretos: generalmente se fabrica utilizando bolsas de geotextil, las cuales se

ll d Al l l b l b d l

Estos Bolsacretos se confeccionan segn dimensiones establecidas (1 m3 2 m3)


60/199

Estos Bolsacretos se confeccionan segn dimensiones establecidas (1 m3 2 m3)

para optimizar su manejo, utilizacin y colocacin en el lugar de trabajo. Los

bolsacretos contienen la masa de mortero o de concreto conformando un

enrocado de gran tamao, adecuado para obras de proteccin de riberas y

estabilizacin de taludes. El tipo de tejido permite la salida del agua de amasado

con facilidad, favoreciendo as el fraguado inicial de la mezcla. Los poros, tiene un

tamao ptimo para retener la pasta de cemento de la mezcla, sin que se presente

prdidas de cemento cuando el agua de amasado sale a travs del bolsacreto.

Los bolsacretos funcionan tambin como estructuras disipadoras de energa y/o

como manejadoras de lneas de corriente, evitando el deterioro en las orillas,

adems del costoso transporte y la colocacin de grandes enrocados.

Espigos: estructuras alargadas relativamente slidas que se colocan para desviar

la corriente de agua o controlar el arrastre de materiales del fondo; para su

construccin pueden ser utilizados diferentes materiales, siendo comunes los

espigones de enrocados de seccin trapezoidal. Son de gran utilidad para

restablecer el ancho normal de un canal o alejar las aguas de una orilla al

promover la sedimentacin del material de arrastre del ro en el lugar donde se

i l

bruscos en la corriente sino dirigir sta suavemente hacia el lugar deseado; y los


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bruscos en la corriente, sino dirigir sta suavemente hacia el lugar deseado; y los

espigones se deben empezar a colocar antes del sitio donde la corriente empieza

a desviarse del cauce deseado. Esta ltima recomendacin es de gran

importancia, ya que si el primer espign se coloca aguas abajo del sitio donde

comienza la socavacin, es probable que la corriente haga un camino por el

extremo de ste y lo destruya39

.

2.3 MARCO CONTEXTUAL

El municipio de Pacho se encuentra al nor-occidente del departamento de

Cundinamarca en la Provincia del Ro Negro del cual es cabecera y a al cual

tambin pertenecen los municipios de La Palma, Yacopi, Caparrap, El Pen,

Paime, Topaipi, Villagomez y San Cayetano.

Para un manejo ms organizado y productivo, el municipio se ha dividido en 6

sectores denominados Unidades de Manejo de Subcuenca (UMSC), una de ellas

la Subcuenca del Ro Veraguas a la que pertenece la vereda de La Hoya, por

donde pasa la va que comunica al municipio de Pacho con el municipio de La

P l ( i i i l d d N i l P i d ) b l l l

La zona en estudio se encuentra ubicada geogrficamente a 5 grados 22 minutos


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La zona en estudio se encuentra ubicada geogrficamente a 5 grados 22 minutos

5 segundos de latitud Norte y 74 grados 18 minutos 74 segundos de longitud

Oeste, altitud media de 2.132 m.40

FIGURA 9. Localizacin rea en estudio.41

FIGURA 10. Carta preliminar de la zona en estudio. 42


63/199

p

En cuanto a los aspectos socioeconmicos, en la zona predomina la actividad


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En cuanto a los aspectos socioeconmicos, en la zona predomina la actividad

agropecuaria por la diversidad climatologa, permitiendo el desarrollo agrcola ypecuario de diferentes productos, la riqueza hdrica a permitido ltimamente

desarrollar la actividad pisccola con tendencia al crecimiento. El 70% de las

actividades agropecuarias son realizadas por pequeos productores minifundistas

(Datos estadsticos de la umata)43

.

Anlisis DOFA municipal: el municipio de Pacho presenta grandes

oportunidades de desarrollo econmico y social, primero que todo su posicin

geogrfica privilegiada como es el hecho de su cercana al Magdalena Medio,

como paso o como salida alterna a esta importante zona del pas y dadas las

posibilidades de desarrollo turstico de Puerto Salgar, el mejoramiento de la Va

Pacho- La Palma en proceso de rehabilitacin y la cercana al mercado mas

grande del pas como la ciudad de Bogota.

Pero estas oportunidades se ven amenazadas por varias circunstancias entre las

que podemos destacar el deterioro de la infraestructura vial, la presencia de fallas

geolgicas que determinan reas de amenazas y riesgos naturales y el mal

manejo de los suelos.

Geologa: se presentan diferentes formaciones del terciario y del cretceo, las


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g p y ,

principales formaciones que se presentan en la zona de estudio son: La formacinLa Cira, se caracteriza por presentar un conjunto laminar arcilloso y superior

arenoso compacto con roca madura, este cubre un 26.10% del ri Negro para un

total de 1635.25 Ha del rea de las subcuencas. La formacin villeta medio, se

caracteriza por limonitas, lutitas y arcillositas grises claras a negras con secuencia

calcrea, se encuentra especialmente en un 39.97% de la subcuenca del ri

negro. Formacin caqueza, se presentan areniscas consolidadas y arcillolitas

corresponde a un total de 19.89% de la subcuenca del ri Negro y por ultimo la

formacin villeta inferior que presenta lutitas y limolitas negras con pirita y sulfuros,

corresponde un 10.67% del ri Negro. 44

Precipitacin: el municipio se halla rodeado por formaciones montaosas, la

distribucin y combinacin de elementos y factores contribuyen a determinar los

tipos de vegetacin, suelos, erosin y los regimenes hidrolgicos. La precipitacin

media anual es de 1670mm y la media mensual es de 116.9mm. Este rgimen

esta influenciado por la zona de convergencia intertropical (ZCIT), la cual sufre

intensificaciones o atenuaciones en su efecto por el factor orografico. La

distribucin temporal de la precipitacin es de tipo bimodal con un ligero descenso

l d F b J i L d ll i i Ab il

prolonga hasta el mes de mayo con un segundo periodo que va de Septiembre a


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Noviembre. El periodo seco va de Diciembre a Marzo y de junio a Agosto.

45

Sistema Natural: El municipio de pacho presenta grandes limitantes en sus

caractersticas biofsicas, especialmente en lo relacionado con los suelos y la

topografa. Algunas de las areas de riesgos o amenazas naturales se encuentran

ubicadas en inmediaciones del casco urbano de pacho. Otras areas con alta

susceptibilidad a los riesgos y amenazas es la subcuenca Q. Honda en la parte

baja del municipio. Las altas pendientes se constituyen en otro factor determinante

y limitante de las actividades antrpicas. La vegetacin nativa ha sido destruida

encontrndose solo relictos de bosque natural secundario, la fauna ha sido

prcticamente destruida.

La dinmica fluvial del ri Negro, tambin representa riesgo y amenaza en

especial por fenmenos de socavacin y erosin lateral, especficamente sobre la

infraestructura vial y algunos sectores poblados. El riesgo ssmico se encuentra en

el rango medio de acuerdo al Mapa de Riesgo Ssmico para Colombia del

INGEOMINAS. En el municipio se identifican varios ecosistemas estratgicos de

importancia local y regional, estos son: Pramo de Guerrero, Cuchilla de Capira,

C hill d El T bl El T bl C d l Ri N 46


67/199

3. METODOLOGA

3.1 DISEO DE LA INVESTIGACION

La presente investigacin fue de tipo experimental. Segn lo describe Sampieri,Carlos Collado y Pilar Lucio:

el tipo de investigacin experimental tiene al menos dos acepciones, una general y otra particular.La general se refiere a tomar una accin y despus observar las consecuencias. La acepcinparticular, ms armnica con un sentido cientfico del trmino, se refiere a un estudio en el que semanipulan intencionalmente una o ms variables independientes (supuestas causas -antecedentes), para analizar las consecuencias que la manipulacin tiene sobre una o masvariables dependientes (supuestos efectos consecuentes), dentro de una situacin de controlpara el investigador. Para ello se debe medir el efecto que la variable independiente tiene en la

variable dependiente y saber que esta ocurriendo realmente con la relacin entre las variables. 47

Las fases en las que se desarroll el presente proyecto se describen a

continuacin.

Fase 1

Bsqueda de informacin relacionada con la construccin de modelos fsicos -

de flujo de agua y socavacin.

Informacin existente de la va Pacho-La Palma perteneciente al municipio de

Pacho Cundinamarca.

Estudios relacionados de la cuenca del ro Negro (nor-occidente de

Mtodos y tcnicas de disipacin de energa hidrulica y estructuras de


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disipacin.

Fase 2

Topografa, toma de secciones Ro Negro.

Se realiz la toma de secciones a 50m antes y despus de la zona de

incidencia del ro Negro sobre la estructura de la va.

Toma de secciones cada 2m en la curva.

Saliendo de la curva ro arriba y abajo, 4 secciones cada 4m.

Saliendo de la curva ro arriba y abajo, 3 secciones cada 10m.

Estudio de caudal y velocidad de flujo

Fase 3

Anlisis y determinacin de la escala de trabajo en el modelo.

Fase 4

Determinacin de materiales de construccin para el modelo.

Fase 5

C i d l d l l d di i i lib i

Fase 6


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Realizacin de pruebas con las diferentes estructuras de disipacin. Gaviones.

Bolsacretos.

Gaviones y espigos combinados.

Bolsacretos y espigos combinados.

Fase 7

Anlisis de resultados y propuesta del sistema de disipacin a implementar.

3.2 OBJETO DE LA INVESTIGACION

El objeto de estudio de la presente investigacin fue la construccin y anlisis de

un modelo fsico a escala cuyo propsito tenia determinar cual de las estructuras

de disipacin de energa analizadas en esta investigacin permite mitigar mejor el

proceso de socavacin en la va Pacho - La Palma a la altura del Km. 20+100.

3.3 INSTRUMENTOS

concluir con ms precisin. Los instrumentos claves en la investigacin y que


70/199

fueron la base de estos anlisis se mencionan a continuacin:

Civil desing

Software autocad 2006 en espaol.

BS. Placer FREE.

Equipo hidrulico (Bombas).

Software Land. Equipo topogrfico.

Microsoft Excel. Formatos toma de datos

(ANEXO I, J, K, L, M)

3.4 VARIABLES

TABLA 3.Identificacin de variables.

CATEGORA DE ANLISIS VARIABLES INDICADORES

Morfologa del cauce enestudio

Caudal

Formas en plantaPerfil

CartografaTopografa

Estudio de estructuras dedisipacin

CaudalTerreno

Diseo de gavionesDiseo de espigosDiseo de bolsacretos

Modelacin hidrulicaEscalasCalibracinEquipo de medicin

DistorsinVelocidadesTiempo

Niveles de aguaDeterminacin de energas.Obras hidrulicasDeterminacin de la energa

3.5 HIPTESIS


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En problemas concretos de socavacin y proyectos de obras fluviales, el modelo

hidrulico reducido, cumple con las necesidades y variables bsicas para suponer

una solucin mucho ms apropiada, ya que se cuenta con semejanzas de

prototipo a modelo de tipo geomtrico, dinmico y cinemtica lo cual refleja que en

verdad es una aplicacin mucho mas acertada para hacer una verdadera

comparacin entre estructuras.

3.6 COSTO DE LA INVESTIGACIN

La relacin de todos los recursos utilizados en esta investigacin se registran en el

anexo A.


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4. TRABAJO INGENIERIL

4.1 RECOPILACIN DE INFORMACIN

4.1.1 Reconocimiento preliminar de campo. Se realizo un reconocimiento visual

de la zona, se tomaron fotografas y se realizo un video del ro Negro, de la va,

obras de arte, vegetacin, asentamientos y otros, con el fin de determinar hasta

donde era conveniente tomar informacin topogrfica y tambin, que tipo de

estructuras funcionaran en el tramo, para la posterior modelacin hidrulica.

FOTOGRAFA 1. Ro Negro. FOTOGRAFA 2. Va Pacho-La Palma.

FOTOGRAFA 3 Curvatura de la va FOTOGRAFA 4 Obras de arte


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FOTOGRAFA 3. Curvatura de la va. FOTOGRAFA 4. Obras de arte.

FOTOGRAFA 5. Socavacin. FOTOGRAFA 6. Material erosionado.

4.1.2 Recopilacin de informacin general. Se recopilo informacin general de


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la zona en la oficina de planeacion del municipio, ubicada en el casco urbano del

mismo, al igual que en la Gobernacin de Cundinamarca, en la ciudad de Bogota

DC. La informacin hacia referencia a caractersticas propias de la regin

(hidrolgica, geologa, geomorfologa), al igual que estudios realizados en

diferentes puntos de la va, donde tambin se presentan problemas de estabilidad,asociados a la influencia del ro Negro, entre otros factores. Tambin se recopilo

informacin cartogrfica del IGAC, plancha a escala 1:25000, referencia 208 II-C

(Anexo B), al igual que informacin hidrolgica del IDEAM, de la estacin de

Charco Largo, municipio del Pen, aproximadamente a unos 30Km aguas abajo

del punto estudiado. (Anexo C).

4.1.3 Levantamiento topogrfico. Para la realizacin del levantamiento

topogrfico se tomo como parmetro determnate, que el nivel del ro Negro no se

encontrara muy alto y as permitir realizar una correcta toma de datos. Durante el

trabajo topogrfico se levantaron puntos de importancia que permitieran

determinar la batimetra de la zona en general, bahas de inundacin, detalles

importantes de la geometra vial (bordes de va, curvas, etc.), obras de arte,

linderos de predios, etc., la cartera de campo se describe en el anexo D.

caracterizacin, donde se encontraron bsicamente rocas de origen aluvial,


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inmerso en una matriz de material arcilloso, posiblemente lutitas. Los resultados

de los ensayos se encuentran en el anexo E.

FOTOGRAFA 7. Material suelo a. Ro Negro. FOTOGRAFA 8. Material suelo b. Ro Negro.

4.2 GEOMETRA DEL MODELO Y SELECCIN DE ESCALAS

4.2.1 Determinacin de la geometra. La informacin obtenida en el

del ro Negro, eje sobre el cual se genero un perfil longitudinal y 20 cortes


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transversales en puntos especficos (Figura 12), desde el punto denominado Km

0+000 hasta el Km 180.56 sobre el eje del ro, puntos de corte que posteriormente

sirvieron de referencia para la toma de datos y manejo de informacin.

FIGURA 11. Superficie Digital. FIGURA 12. Secciones Transversales.

Adems de la informacin topogrfica recopilada en el levantamiento, se

complemento la geometra del modelo, simulando las salidas de las dos curvas

que se encuentran aguas arriba del sector estudiado y de esta forma reproducir

mejor las condiciones de flujo en el modelo (Figura 13).

FIGURA 13. Superficie Digital definitiva. Figura a, vista 3D del modelo y el eje del ro Negro debajo de el.Figura b, vista 3D del modelo en relieve. En la figura c, vista en planta del modelo hidrulico y la ubicacin deleje del ro Negro, al igual que las dos curvas adicionadas para un mejor desarrollo del caudal.


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Con el modelo digital listo, se determinaron las escalas, tanto horizontal (E=1:100),

como vertical (E=1:50), teniendo en cuenta factores relacionados con espacio,

operacin y costos de construccin del modelo hidrulico.

4.3 CONTRUCCIN Y CALIBRACIN DEL MODELO


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4.3.1 Seleccin de los materiales. Un par de mesas de madera con bordes a

12cm sobre la superficie libre, como soporte del modelo, a una altura de 70cm del

suelo para facilitar la toma de datos en las pruebas.

Para facilitar la construccin del modelo y conseguir el relieve de la zona en

estudio, se escogieron lminas de icopor de 1cm de espesor, como material

de base.

Arcilla como material para enrazar las curvas de nivel y darles el acabado

natural.

Estuco acrlico como primera capa impermeable.

PVA, silicona, o cualquier material que evite el paso del agua y no se pierda

con facilidad al paso constante del agua.

Silicona liquida.

Plstico.

Plastilina.

4.3.2 Construccin del modelo. Con la informacin digital ya terminada, se

determinar los espacios de trabajo y realizar ajustes; el segundo, facilitar el corte

de las lminas de icopor


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de las lminas de icopor.

La construccin de las mesas de madera se realizo fuera de las instalaciones de la

Universidad de La Salle, pero el ensamble de estas, si se realizo en la Universidad

dentro del laboratorio de hidrulica.

FIGURA 14. Vista final 3D. Modelo Hidrulico.

Ya ensambladas las mesas, se procedi a cubrirlas con plstico, para evitar que,

ante una posible filtracin la madera se hubiese podrido o pandeado y as


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ante una posible filtracin, la madera se hubiese podrido o pandeado y as

comprometer el correcto desarrollo de los ensayos.

Con el plstico ubicado, se procedi a colocar las lminas de icopor en su sitio

sobre la mesa base, utilizando silicona liquida para adherirlas y mantenerlas fijascon respecto a la mesa base (Fotografa 9).

Fotografa 9.Construccin del modelo. Laminas base de icopor.

Posteriormente, se enrazo la superficie y se le dio la forma natural, rellenando los

espacios entre curvas de nivel, con una delgada capa de arcilla (Fotografas 10 a

14).

FOTOGRAFA 10. FOTOGRAFA 11.


81/199

FOTOGRAFA 12. FOTOGRAFA 13.

FOTOGRAFA 14

FOTOGRAFAS 10 A 14. Registro fotogrficoconstruccin del modelo hidrulico. Acabado de lasuperficie, para simular el terreno real.

Luego de conseguir la superficie deseada, se aplico estuco acrlico sobre la arcilla

y finalmente una capa de silicona, para garantizar, que el caudal que ingrese, no


82/199

y p , p g , q q g ,

se pierda por filtraciones afectando los ensayos y tambin la mesa de base del

modelo hidrulico.

La construccin de las estructuras ensayadas en el modelo, se realizo teniendo

en cuenta criterios bsicos de diseo para cada una de estructuras. Estos criterios

se relacionan en el anexo F.

Luego, teniendo en cuenta el diseo de cada grupo de estructuras, se

determinaron sus dimensiones escaladas (teniendo en cuenta que el modelo es

con distorsin), se construyeron estas con base en esas dimensiones, para luego

ser ubicadas en su momento, dentro del modelo (Fotografas 15 a 17). El calculo

detallado del dimencionamiento de las estructuras escaladas, se encuentra en el

anexo G.

FOTOGRAFA 15. Gavin a escala FOTOGRAFA 16. Bolsacreto a escala

FOTOGRAFA 17. Espigos a escala.


83/199

4.3.3 Calibracin del modelo hidrulico.

Luego de terminar la superficie del modelo hidrulico y cumplir con la similitud

geomtrica para los ensayos, se colocaron chinches sobre el cauce, los cuales

determina el eje del ro, eje ya establecido en el modelo digital (Fotografa 18 y

19). Posteriormente, se procedi a realizar el ajuste de las bombas de laboratorio,

compra de accesorios, tales como mangueras y acoples especiales, al igual que

limpieza de sus aspas y pruebas de caudal. En el anexo 8 se encuentra un

esquema del sistema de bombeo y circulacin de agua en el modelo hidrulico.

Fotografa 18. Eje del ro.

Fotografa 19. Detalle eje del ro.

AL realizar las pruebas de gasto se determino que el caudal de entrega de cada

una de las bombas, una convencional de laboratorio y otra sumergible, era de 1lps


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Y 1.5 lps respectivamente, siendo en un principio ideal para alcanzar los caudales

correspondientes, al caudal mximo (1.8 lps aprox.) y caudal medio (0.56 lps

aprox.) a escala, pero por problemas tcnicos ajenos al proyecto, solo se alcanzo

un caudal mximo de 1.6 lps, que corresponde al 88.8% del caudal mximo

deseado, sin embargo, este valor de caudal, es representativo, por lo que no hubo

mayor problema en cambiar el valor mximo y aun as encontrar resultados

satisfactorios.

FOTOGRAFA 20. Cmara de recirculacin del modelo hidrulico.

4.4 ENSAYOS DE LABORATORIO


85/199

4.4.1 Metodologa para la recopilacin de informacin. Teniendo en cuenta las

condiciones geomtricas, de flujo del ro Negro y un anlisis primario de suelos del

sector, se realizaron ensayos con cada una de las estructuras con caudal mximo

y medio, correspondientes a 1.6 lps y 0.56 lps respectivamente, para as, recopilar

informacin suficiente y de esta manera poder comparar los resultados obtenidos

con flujo sin estructuras, gaviones, gaviones-espigos combinados, bolsacretos y

bolsacretos-espigos combinados.

La metodologa utilizada para le recopilacin de informacin, fue la siguiente:

a. Aforo de caudal por medio del mtodo volumtrico. Primero se calibro el

caudal hasta alcanzar el caudal esperado (mximo o medio). Luego se

aforo 5 veces para determinar la continuidad de flujo y asegurar que se

mantena el mismo flujo en el modelo hidrulico.

b. Posteriormente se realizo la toma de datos de niveles de agua en cada uno

de los puntos establecidos sobre el eje del ro Negro en el modelo

hidrulico, por medio de un calibrador (Fotografa 21 y 22).

c. Se tomo la temperatura del agua sobre el modelo.

d Fi l f d 5 d l d l

Con la informacin de niveles, en cada seccin, se grafico el nivel de agua en el

programa AutoCad y por medio de este, se determino el rea mojada, en cada una


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de ellas, con las diferentes condiciones de flujo. Luego, ya conociendo el rea y el

caudal que circula por el modelo hidrulico para cada tramo, se introdujo la

informacin obtenida en una hoja de clculo, donde se determino la velocidad en

cada seccin, para posteriormente, graficar la lnea de energa a lo largo del eje,

con cada estructura, con flujo a caudal mximo y medio.

FOTOGRAFA 21. Ubicacin del calibrador para latoma de datos.

FOTOGRAFA 22. Toma de datos del calibrador

4.4.2 Ensayos de flujo


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En el ensayo a caudal medio (Prueba 1a) y caudal mximo (Prueba 1b), sin

estructuras, se determinaron velocidades de flujo en cada seccin, utilizando la

metodologa anteriormente mencionada. Los datos obtenidos del modelo y del

programa grafico AutoCad, se encuentran en el anexo I.

FOTOGRAFA 23.Toma de niveles. Prueba 1a

FOTOGRAFA 24. Prueba flujo sin estructuras

estructuras, debido a la necesidad de darle una superficie estable a la estructura,

tratando de representar al mximo, las condiciones geomtricas finales en campo.


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El detalle de las secciones modificadas se encuentra en el anexo N. Los

resultados de los ensayos a caudal medio y mximo, al igual que detalles de las

nuevas secciones, se encuentran en el anexo J.

FOTOGRAFA 25. Construccin primer nivel de gaviones

FOTOGRAFA 26.Construccin segundo nivel de gaviones

FOTOGRAFA 27. Construccin tercer nivel de gaviones


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FOTOGRAFA 28.Toma de niveles. Prueba con gavin

En los ensayos con espigos, tambin se modificaron las secciones, sin embargo, a

pesar estar los espigos ubicados dentro del cause activo del ro Negro, no hubo


90/199

necesidad de corregir ninguna seccin

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