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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
11-2010
Evaluación del transporte de sedimentos en el puente del Río Evaluación del transporte de sedimentos en el puente del Río
Negro tramo Tobía Nimaíma Negro tramo Tobía Nimaíma
Héctor Barragán Barragán Universidad de La Salle, Bogotá
Víctor Manuel Carranza Perdomo Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Barragán Barragán, H., & Carranza Perdomo, V. M. (2010). Evaluación del transporte de sedimentos en el puente del Río Negro tramo Tobía Nimaíma. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/277
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EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEL RÍO
NEGRO TRAMO TOBÍA – NIMAÍMA
HÉCTOR BARRAGÁN BARRAGÁN
VÍCTOR MANUEL CARRANZA PERDOMO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2010
EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEL RÍO
NEGRO TRAMO TOBÍA – NIMAÍMA
HÉCTOR BARRAGÁN BARRAGÁN
VÍCTOR MANUEL CARRANZA PERDOMO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
Ingeniería Civil
DIRECTOR TEMÁTICO:
ING. LUIS E. AYALA R.
ASESORA METODOLÓGICA:
MAG. MARLÉN CUBILLOS
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2010
Nota de acepción:
_______________________________________
_______________________________________ _______________________________________
_______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________
___________________________ Firma del presidente de jurado
_______________________________ Firma del jurado
_______________________________ Firma del jurado
Bogotá D.C. Noviembre de 2010.
AGRADECIMIENTOS
Los Autores expresan su reconocimiento:
El Ingeniero LUIS EFREN AYALA ROJAS, asesor temático del proyecto de
investigación por toda la colaboración y apoyo brindado durante el desarrollo de
esta investigación.
A MARTA LUCIA TOVAR, coordinadora del laboratorio de hidráulica por su
colaboración y ayuda prestada durante el proceso de investigación.
A MARLEN CUBILLOS, por su asesoría y apoyo, en el desarrollo del trabajo de
investigación.
A JOSÉ LUIS ROZO ZAMBRANO, Tecnólogo encargado del Laboratorio de
Pavimentos de la Universidad de La Salle, por su colaboración y asesoría en el
desarrollo de los ensayos realizados.
Y a todas aquellas personas que colaboraron en el proceso de investigación.
DEDICATORIA
Al culminar esta etapa académica, no puedo más 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 mí 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 continúen
siendo. A Dios, porque sin El, nada de esto seria una realidad. Para todos ellos,
dedico este logro y espero seguir contando con su compañía y amistad a lo largo
de este camino que hasta ahora empieza.
HECTOR BARRAGAN BARRAGAN
DEDICATORIA
A Dios especialmente, a mis padres, que con su gran esfuerzo lograron ayudarme
a culminar esta meta, infinitas gracias por su orientación y apoyo sin ellos no
podría obtener este titulo como Ingeniero Civil, un reconocimiento especial a mis
dos hermanas y mi sobrina que con sus concejos y compañía son parte
fundamental de este logro tan especial, a mis mejores amigos que contribuyeron
para finalizar esta meta y en especial al cuerpo docente de la universidad de la
Sallé que me oriento y formo con sus mejores enseñanzas, valores y principios
para comenzar un nuevo camino lleno bendiciones y expectativas para el
desarrollo de la Ingeniería.
VICTOR MANUEL CARRANZA PERDOMO
TABLA CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 10
1. EL PROBLEMA ............................................................................................ 11
1.1 LÍNEA ....................................................................................................... 11
1.2 TÍTULO ..................................................................................................... 11
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ............................................................ 11
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA........................................................... 12
1.5 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 12
1.6 OBJETIVOS .............................................................................................. 13
1.6.1 Objetivo general ................................................................................. 13
1.6.2 Objetivos específicos ......................................................................... 13
2. MARCO REFERENCIAL .............................................................................. 14
2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL ....................................................... 14
2.4 2.2 MARCO CONTEXTUAL ..................................................................... 33
3. METODOLOGÍA .......................................................................................... 37
3.1 OBJETO DE ESTUDIO ............................................................................. 38
3.2 INSTRUMENTOS ..................................................................................... 38
3.3 COSTOS ................................................................................................... 38
4. TRABAJO INGENIERIL ............................................................................... 39
4.1 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN ...................................................... 39
4.1.1 Reconocimiento preliminar de campo. ............................................... 39
4.1.2 Recopilación de información general. ................................................ 43
4.1.3 Elaboración de la batimetría. .............................................................. 43
4.1.4 Caracterización del suelo. .................................................................. 43
4.2 Geometría del modelo. ............................................................................. 45
4.2.1 Determinación de la geometría. ......................................................... 45
4.3 Construcción del modelo .......................................................................... 45
4.3.1 Selección de los materiales. ............................................................... 45
4.3.2 Construcción del modelo. ................................................................... 46
4.4 Pruebas de laboratorio .............................................................................. 50
4.6 ANALISIS DE RESULTADOS .................................................................. 56
4.7 ESTUDIO MODELACION HIDRAULICA. ................................................. 59
4.8 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING,
“n” 61
4.9 ANÁLISIS DE GRANULOMETRÍAS DEL CAUCE .................................... 62
4.10 ANÁLISIS TEÓRICO ................................................................................ 64
4.11 VALORES DE RUGOSIDAD SELECCIONADOS .................................... 65
4.12 RESULTADOS MODELACION HIDRAULICA¡Error! Marcador no
definido.
4.13 APLICACIÓN DE SOFTWARE PARA EL CÁLCULO DE SOCAVACION
EN EL PUENTE RIO NEGRO ................................................................................ 68
4.13.1 ACERCA DEL PROGRAMA. ............................................................. 69
4.14 COSTOS ................................................................................................... 80
INTRODUCCIÓN
Los ríos en su gran mayoría traen consigo diferentes elementos conocidos como
sedimentos los cuales ocasionan fenómenos de erosión que afectan las
estructuras que se encuentran construidas sobre el lecho de de los ríos, por esta
razón se hace necesario realizar estudios del comportamiento hidráulico de los
ríos en lo que se refiere a los caudales, las velocidades de flujo, las variaciones
del fondo por socavación y sedimentación. El proceso de producción de
sedimentos en las cuencas y su transporte por parte de las corrientes naturales es
muy complejo. La cuantificación de los sedimentos para proyectos de Ingeniería
se basa actualmente en mediciones y en la aplicación de conceptos de La
Hidráulica Fluvial, Hidrología e Hidráulica General.
El objetivo del estudio hidráulico es pronosticar las variaciones que se pueden
presentar a futuro en la geometría de la sección transversal del cauce por los
fenómenos de arrastre de sedimentos con el fin de mitigar los posibles daños que
estos puedan causar a las estructuras que se construirán o están construidas
sobre el lecho de un río.
1. EL PROBLEMA
LÍNEA
El proyecto de investigación a desarrollar corresponde al grupo CIROC y a la línea
de “Eventos naturales y materiales para obras civiles”, según las líneas de
investigación establecidas por la Facultad de Ingeniería Civil.
TÍTULO
Evaluación del transporte de sedimentos en el puente del río Negro tramo Tobía –
Nimaíma
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Los fenómenos de erosión en la actualidad son asociados en su gran mayoría a
obras hechas por el hombre, pero también se deben a fenómenos como el
transporte de sedimentos, como consecuencia de la dinámica fluvial, que
demuestra de cierta forma que en el río hay un desequilibrio del cauce.
12
El transporte de sedimentos constituye uno de los problemas más comunes a la
hora de realizar obras sobre un río, debido a que este transporte cambia
continuamente su lecho, originando problemas como socavación y erosión. La
forma más común de eliminar estos problemas es hacer una desviación del río
pero esto origina un cambio en el ecosistema e incrementa los costos de los
proyectos.
Para poder conocer las consecuencias que tiene el transporte y la erosión que se
origina, es necesario hacer un estudio de los sedimentos que se encuentran en el
río, conocer el tipo y los efectos que estos tienen sobre estructuras ubicadas en su
cauce, que generalmente son las que más sufren ante la presencia de estos. La
idea principal de un estudio de este tipo es conocer la forma de mitigación de los
daños que sufre un río o las estructuras construidas sobre él.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Cómo afecta el transporte de sedimentos en el puente del río Negro en el tramo
Tobía -Nimaíma?
JUSTIFICACIÓN
Al realizar este proyecto se busca obtener los parámetros necesarios para
caracterizar los fenómenos ocasionados en el río por procesos de erosión y la
13
socavación en su lecho, para así controlar los efectos que éstos ocasionan a las
estructuras presentes o por construir, por esta razón es necesario realizar un
estudio minucioso del comportamiento de los materiales que transporta este río
con el fin de diseñar la mejor sección para las estructuras que se establecerán
sobre el lecho del río.
OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo general
• Determinar el transporte de sedimentos y socavación en el río Negro tramo
Tobía - Nimaíma
1.1.2 Objetivos específicos
• Determinar el tipo de sedimento que se transporta en el lecho del río Negro.
• Comparar los efectos que tiene el arrastre de sedimentos y socavación en
diferentes tipos de columnas y los patrones de erosión que se presentan en
el río Negro.
• Determinar el arrastre de sedimentos y el efecto de la socavación mediante
la ecuación apropiada.
• Analizar los resultados obtenidos para proponer una posible mitigación al
fenómeno de la socavación.
2. MARCO REFERENCIAL
MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL
A través de las numerosas investigaciones que se realizan acerca de las
propiedades de la morfología fluvial, el arrastre de sedimentos y la resuspensión
de los mismos. Se llevan a cabo diferentes pruebas en el laboratorio a un modelo
a escala de un puente, estas pruebas permiten determinar tanto como las
propiedades como los efectos que estas traen a las estructuras del puente.
Para realizar estas pruebas será necesario tener conocimientos sobre algunos
parámetros hidrológicos los cuales son:
BATIMETRÍA: La batimetría es la ciencia que mide las profundidades de los ríos
para determinar la topografía del fondo del rio, actualmente las mediciones son
realizadas por GPS diferencial para una posición exacta, y con sondadores
hidrográficos mono o multihaz para determinar la profundidad exacta, todo ello se
va procesando en un ordenador de a bordo para confeccionar la carta batimétrica.
Una Carta batimétrica es un mapa que representa la forma del fondo de un cuerpo
de agua, normalmente por medio de líneas de profundidad, llamadas isobatas, que
15
son las líneas que unen una misma profundidad, las líneas isobáticas son los
veriles que nos indican la profundidad en las cartas de navegación.1
Figura 2.elaboración de una batimetría
SEDIMENTACIÓN: es el proceso por el cual el material sólido, transportado por
una corriente de agua, se deposita en el fondo del río, embalse, canal artificial, o
dispositivo construido especialmente para tal fin. Toda corriente de agua,
caracterizada por su caudal, tirante de agua, velocidad y forma de la sección tiene
una capacidad de transportar material sólido en suspensión. El cambio de alguna
1 VIDE MARTIN, Juan Pedro. Ingeniería fluvial. Bogotá, Colombia: Centro editorial, Escuela Colombiana de Ingeniería. 1997. p. 85.
16
de estas características de la corriente puede hacer que el material transportado
se sedimente; o el material existente en el fondo o márgenes del cauce sea
erosionado.2
MORFOLOGÍA FLUVIAL: Los ríos aluviales son esencialmente móviles, es decir,
que sus características no tienen estabilidad ni permanencia. Se desplazan y
modifican más de lo que suele imaginarse. Esta movilidad fluvial representa un
peligro para las obras de ingeniería ubicadas sobre el lecho fluvial y en sus
inmediaciones, las que por su propia naturaleza deben ser estables. En
consecuencia, para el diseño de estas obras, que incluye especialmente las viales,
se debe conocer el comportamiento del río, lo que implica identificar las diferentes
formas fluviales. La Fluviomorfología estudia las formas fluviales y el mecanismo
mediante el cual el río ha llegado a ellas. De acá se puede inferir el
comportamiento futuro del río. Las formas que puede adoptar un río pueden
originarse en su propio comportamiento, ser una consecuencia de determinadas
acciones externas, principalmente humanas, o una combinación de dichas
posibilidades. La Morfología Fluvial (Fluviomorfología) es el estudio de las formas
que tienen los ríos. Cuando se habla de la forma de los ríos, es decir de su
apariencia, debe entenderse que esto equivale a describirlos tal como se ven
desde el aire. Sin embargo, no debe perderse de vista que la forma de los ríos, no
es la misma a lo largo del tiempo. Los caudales que se presentan, básicamente en
2 VIDE MARTIN, Juan Pedro. Ingeniería fluvial. Bogotá, Colombia: Centro editorial, Escuela Colombiana de Ingeniería. 1997. p. 34.
17
el estiaje o en la época de avenidas, son fundamentales para definir la forma de
un río. A lo anterior debe añadirse que cuando se habla de la forma de un río se
trata de la forma de un tramo fluvial específico, pues los ríos no tienen la misma
forma a lo largo de todo su recorrido. Una vista aérea de los ríos indicaría que sus
formas son tantas, pero para fines prácticos la Morfología Fluvial considera tres
formas fundamentales3, Ellas corresponden a:
• Ríos rectos
• Ríos entrelazados
• Ríos a meandro
Figura 3: tipos principales de cauce4
3 VIDE MARTIN, Juan Pedro. Ingeniería fluvial. Bogotá, Colombia: Centro editorial, Escuela Colombiana de Ingeniería. 1997. p. 25. 4 Ibíd., p. 101.
18
Ahora bien, se hablara de una variable fundamental en los procesos fluviales la
velocidad del agua y la distribución de la tensión de arrastre asociada a la
distribución de velocidades dentro del cauce de tal modo que la velocidad del agua
varía en cada punto de la columna de agua, siendo mínima en las proximidades
del perímetro del cauce y máxima hacia el centro de la sección. Asociada a una
variación de la velocidad dentro de cada sección y a una variación de esta
velocidad aguas abajo, está la presencia de flujos secundarios o trayectorias
helicoidales de las líneas de corriente las cuales tienen un significado especial en
el desarrollo de meandros y en la formación de rápidos y remansos de los tramos
rectos.
Según Jaime Suárez Díaz “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 dirección de la corriente en meandros de
ríos maduros y de treinta a cincuenta por ciento en curvas de ríos de montaña
(Thorne 1989). Este movimiento arrastra el suelo erosionado, el cual se deposita
más adelante en las riberas interiores del cauce. En éste proceso se produce un
avance del río lateralmente y hacia adelante de la curva”5
En el movimiento del agua intervienen dos factores o fuerzas: la gravedad que
actúa en la dirección aguas abajo y la fricción que se opone a este movimiento. La
5 SUAREZ DIAZ, Jaime. Control de erosión en zonas tropicales. Instituto de investigaciones sobre erosión y deslizamientos. Universidad industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia: Librería UIS. 2001. p. 92.
19
relación resultante de ambas fuerzas determina la capacidad de la corriente para
erosionar y transportar sedimentos.
Experimentalmente se ha comprobado que esta energía hidráulica de la corriente,
en función de la magnitud del caudal y de la superficie del cauce, está muy
relacionada con la fuerza que presenta el río en un determinado momento para
rectificar el trazado o sección impuestos por la mano del hombre alterándolos o
destruyéndolos cuando no responden a su dinámica natural.
FIGURA 4. Distribución de velocidades en la sección del cauce de un río.6
6 Ibíd., p. 92.
20
FIGURA 5. Velocidades, corrientes secundarias y fuerzas de tracción sobre el
cauce.7
Las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas. Esto se explica
por los efectos que la resistencia cortante del fluido en movimiento tiene en
distintos puntos. La figura 5 muestra la distribución de velocidades en un canal de
sección rectangular. Las líneas continuas del centro de la figura corresponden a
isótacas (curvas de puntos de igual velocidad); las líneas 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:
7 Ibíd., p. 93.
21
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 sección hidráulica.
Donde:
Vv (10%) = velocidad al 10% de la profundidad medida desde el fondo.
De acuerdo a las características de la velocidad y al número de Reynolds y Froude
el flujo puede clasificarse de las siguientes formas:
• Uniformidad de la velocidad a lo largo del canal.
• Variación de la velocidad con el tiempo.
• Turbulencia.
• Estado de velocidad.
En la mayoría de las corrientes el flujo es variado, irregular y turbulento. En las
corrientes de montaña el flujo generalmente es rápido y en las zonas semiplanas
el flujo es comúnmente tranquilo. Es necesario definir una clasificación del tipo de
flujo la cual depende del cambio en la profundidad de flujo con respecto al tiempo
y al espacio.
22
Ven Te Chow hace una clasificación precisa del tipo de flujo:
• Flujo permanente: Se dice que el flujo dentro de un canal abierto es
permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse
constante durante el intervalo de tiempo en consideración.
• 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 sección del canal este puede ser permanente o no permanente, según
cambie o no la profundidad 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 rápidamente variado y gradualmente variado: Se da si la profundidad
del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente
23
cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado
también se conoce como fenómeno local.8
Una característica fundamental de los sistemas abiertos, es su capacidad para
autorregularse, adaptándose a factores externos de forma que mantengan el
estado de equilibrio alcanzando cierta estabilidad. En los cauces fluviales este
equilibrio está referido a la regulación de la morfología y dinámica ante variables
de control o independientes como son el régimen de caudales y sedimentos. Se
dice que un fondo se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de
sedimentos (en suspensión y por el fondo) cuando no sufre modificación en su
cota.
El término socavación de un río se puede referir al descenso del fondo motivado
por un fenómeno de dinámica fluvial, que puede ser natural o inducido por una
actuación humana, un desequilibrio en el fondo es una posible socavación.
La cuantificación de dicha socavación y su progresión es muy difícil de prever,
pero se deben aplicar conceptos más claros sobre un completo equilibrio del
sistema y una herramienta sencilla para entender cualitativamente, aunque con
8 VEN TE, Chow. Hidráulica de canales abiertos. Bogotá: McGraw – Hill Interamericana S.A. 1994. P 5.
24
limitaciones, el fenómeno de equilibrio de fondo es la Balanza de Lane (1955), que
propone una relación entre cuatro variables:
• Caudal líquido unitario q.
• Caudal sólido unitario de fondo qs
• La pendiente i.
• Tamaño del sedimento D.
FIGURA 6. Analogía de la balanza de Lane (1955).9
La balanza permite determinar el comportamiento de un río si se varían sus
condiciones de equilibrio natural de manera que, una variación en el peso
(caudales unitarios líquido o sólido) o una variación en el brazo de palanca,
pendiente o tamaño de la partícula, conducirá a un desequilibrio erosivo o de
9 VIDE MARTIN, Op.Cit., p.34.
25
sedimentación. Para cada problema concreto se ha de valorar que parámetros de
la balanza han provocado el desequilibrio y cuáles se pueden reajustar para
devolver la posición vertical de equilibrio. Cuando los caudales líquido y sólido de
un río no están equilibrados se tendrá un exceso de transporte de fondo
(“sobrealimentación”) o un defecto (“subalimentación”), y por eso se producirá una
sedimentación o erosión respectivamente.10
El problema de socavación es extremadamente complejo puesto que las
condiciones del flujo en el foso de socavación, inclusive de turbulencia, son
difíciles de evaluar. Además la interacción entre los sedimentos y las variables de
flujo no son fáciles de cuantificar. Por eso, hasta ahora la predicción de la
socavación está principalmente basada en resultados empíricos.
Al hablar de socavación debemos tener en cuenta ciertos parámetros de lo que es
erosión y posteriormente hacer una discrepancia en relación a estos dos.
Según Jaime Suárez Díaz “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 perímetro mojado”11
10 Ibíd., p.35 11 SUAREZ DIAZ, Jaime. Control de erosión en zonas tropicales. Instituto de investigaciones sobre erosión y deslizamientos. Universidad industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia: Librería UIS. 2001. p. 15.
26
A partir de este enunciado se dice que existen dos tipos de erosión hidráulica, el
primero trata de una erosión lateral en la cual se amplía su ancho haciendo que la
altura de los taludes aumente y el segundo se dice que es una erosión de
profundización del cauce, estas dos dependen de la caracterización de los
materiales de fondo del lecho, características del flujo de agua y de la forma de su
cuenca y/o zona de divergencia del cauce. Existen diversos mecanismos de
erosión los cuales incluyen tres procesos básicos:
• Desprendimiento de las partículas.
• Transporte de las partículas desprendidas.
• Depósito o sedimentación.
Estas fuerzas que actúan o fuerzas tractivas dependen de algunas características
como la velocidad del flujo que algunas veces se relaciona directamente con la
erosión ocasionando una velocidad critica en la cual se indica el movimiento de las
partículas 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 físicas y químicas del suelo.12
Ahora bien, se debe diferenciar la socavación de la erosión no recuperable en el
sentido de que después de que pase la creciente o se elimine la causa de la
socavación en procesos posteriores, comúnmente se vuelven a depositar
12 Ibíd., p. 42.
27
sedimentos en un proceso cíclico, y se puede recuperar el nivel del fondo del
cauce.13
Se puede decir que la socavación está controlada por las características
hidráulicas del cauce, las propiedades de los sedimentos del fondo y la forma y
localización de los elementos que la inducen. Esta socavación es generada por el
transporte de los materiales del lecho del río al presentarse una creciente, estos
materiales descienden al fondo del río provocando un aumento de la capacidad
de arrastre de material sólido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud
de su gran velocidad. Según lo describe el autor, se presentan dos formas de
socavación dependiendo de si existe o no movimiento de sedimentos en el cauce:
Socavación en lecho móvil: 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 socavación.
Socavación 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 ha
reabastecimiento del hueco socavado.14
13 Ibíd., p. 133. 14 GAVIRIA SIERRA, Carlos. Socavación y protección contra la socavación. S.f. [en línea] <http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/socavacion/socavacion.html> [Citado en 2010].
28
Al analizar o evaluar la socavación se tienen presentes cuatro componentes:
Socavación no recuperable, Socavación por aumento del caudal, Socavación por
contracción del cauce e Inestabilidad geomorfológica de la corriente.
Jaime Suárez describe claramente estos cuatro componentes:
Socavación no recuperable: Hace referencia al cambio en el nivel del fondo del
cauce con el tiempo, a 10, 50, 100 o 500 años. El conocimiento de esta
degradación puede permitir encontrar grandes profundizaciones del cauce durante
la vida útil de una estructura.
Socavación por aumento del caudal: Al aumentar el caudal la velocidad aumenta y
se produce erosión en el fondo de la corriente. Al bajar el nivel esta socavación se
recupera nuevamente por socavación.
Socavación por contracción del cauce: Se genera por la disminución del ancho del
cauce, originando grandes caudales y por ende excesivas velocidades en la
contracción, produciéndose socavación del fondo del cauce en el sector contraído.
Inestabilidad geomorfológica de la corriente: Los niveles del fondo del cauce en
sitios específicos se modifica necesariamente por la movilidad lateral de la
corriente.15
15 SUAREZ DIAZ, Op.Cit., p.138.
29
La erosión del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es una
cuestión de equilibrio entre el aporte sólido que pueda traer el agua a una cierta
sección y el material que sea removido por el agua de esa sección y al aumentar
la velocidad del agua, aumenta también la capacidad de arrastre. Se entiende por
socavación general el descenso del fondo de un río que se produce al presentarse
una creciente y es debida al aumento de la capacidad de arrastre de material
sólido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de su mayor velocidad.
Habitualmente esta socavación es una erosión general de todo el cauce y no
depende de que exista o no un puente u otra estructura. “la socavación general
tiene como resultado una disminución en el nivel del fondo del cauce y en los
niveles de agua y por tanto puede producir exposición de las fundaciones, de los
oleoductos y otras estructuras colocadas en el cauce del río.”16
Para controlar esta socavación producida por el transporte de los materiales del
lecho del río se realizo un estudio profundo de la disipación de energía cinética, la
cual se demostrara más adelante, ya que al paso del agua por el canal o rió se
genera una descarga que contiene gran cantidad de energía y mucho poder
destructivo debido a sus altas presiones y velocidades las cuales causan erosión y
socavación en el lecho del río poniendo en peligro las estructuras hidráulicas y las
estructuras mismas de conducción. La disipación de la energía cinética puede
16 VIDE MARTIN, Juan Pedro. Ingeniería fluvial. Bogotá, Colombia: Centro editorial, Escuela Colombiana de Ingeniería. 1997. p. 250.
30
lograrse aplicando y colocando diferentes disipadores de energía. Para la
selección del tipo de disipador se debe tener presente las siguientes
consideraciones:
• Energía de la corriente.
• Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo.
• Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc.).
• Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras
hidráulicas.
• Congelamiento.
• Efecto de las sub-presiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.
• Daños causados a la fauna y la flora por la erosión.
• Proyectos y poblaciones aguas abajo.17
Suárez Díaz presenta algunos sistemas para controlar la socavación:
• Construcción de estructuras para manejar el flujo y disminuir la profundidad
de socavación, como estructuras de caída o revestimiento de la zona
expuesta a socavación.
• Recubrimiento del cauce, en el que podemos utilizar el enrocado el cual
varía en cuanto tamaño, forma y masa del diseño.
17 Escuela de Ingeniería de Antioquia. Disipadores de energía. Obras hidráulicas 2003. [en línea]. <http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadores_de_energia.html> [Citado en 2010].
31
• Constructivos de cimentaciones profundas muy por debajo del nivel de
socavación esperada.
• Construcción de estructuras flexibles que se adapten a la socavación. Un
ejemplo son los gaviones.18
Ahora bien, muchos de los problemas causados por fenómenos naturales
relacionados con la hidráulica son en ocasiones tan complejos que la utilización de
un modelo matemático no es lo suficientemente precisa como para asegurar que
la solución propuesta es la apropiada, puesto que en los modelos matemáticos se
trabaja sobre condiciones idealizadas y al realizar simplificaciones importantes,
entrega resultados inapropiados que hay que interpretar o completar por medio de
técnicas experimentales.
Es aquí según narra Miguel A. Vergara donde juega la modelación hidráulica un
papel importante en la solución de problemas en materia de control de riego y
drenaje, generación de energía eléctrica, propagación de oleaje, acción de mareas
y corrientes, movimiento de sedimentos, estructuras de protección, embarcaciones
atracadas, erosión y sedimentación de causes entre otros.19
Estos modelos consisten en el ensayo de una réplica del problema a escala
reducida. La réplica reducida es lo que llamamos modelo, frente a la realidad que
denominamos prototipo. Según Martín Vide “estos modelos son todavía
18 SUAREZ DIAZ, Op.Cit., p.160. 19 VERGARA, Miguel A. Técnicas de modelación en hidráulica. México: Alfaomega.1993. p.1.
32
necesarios porque el cálculo es imperfecto debido principalmente a la complejidad
de los fenómenos de turbulencia y a la dificultad que imponen los contornos
reales, tridimensionales y “caprichosos” (piense en un río).”20
Para la realización de un modelo ya sea matemático o físico se deben tener en
cuenta diversos factores y variables que ayudaran al el estudio dinámico de una
corriente.
RESUSPENSIÓN DE SEDIMENTOS: Uno de los efectos es la resuspensión de
sedimentos, o el poner nuevamente en suspensión las partículas depositadas en
el fondo. Esto es provocado tanto por el dragado como por la navegación, y puede
ser particularmente importante para el ecosistema en aquellos tramos del río con
aguas más transparentes y susceptibles de sufrir cambios que alteren sus
características propias.
20 VIDE MARTIN, Op.Cit., p.250.
33
MARCO CONTEXTUAL
Figura 1: Localización del municipio de Nimaíma21
El Río Negro se encuentra ubicado en la inspección de Tobía, municipio de
Nimaíma, provincia de Gualiva, departamento de Cundinamarca. Se encuentra a
1105 msnm, tiene una temperatura media de 21°C.
21 http://www.cundinamarca.gov.co/cundinamarca/municipios/frm_municipio.asp?codigo=72 mayo 15 del 2008
34
En cuanto a los aspectos socioeconómicos, en la zona predomina la actividad
agropecuaria por la diversidad climatología, permitiendo el desarrollo agrícola y
pecuario de diferentes productos, la riqueza hídrica ha permitido últimamente
desarrollar la actividad piscícola con tendencia al crecimiento. El 70% de las
actividades agropecuarias son realizadas por pequeños productores minifundistas.
El municipio de Nimaíma presenta grandes oportunidades de desarrollo
económico, social y turístico especialmente este último por su posición geográfica
privilegiada, ya que se encuentra cerca al mercado más grande del país como la
ciudad de Bogotá.
Pero estas oportunidades se ven amenazadas por varias circunstancias entre las
que podemos destacar el deterioro de la infraestructura vial, la presencia de falla
geológicas que determinan áreas de amenazas y riesgos naturales y el mal
manejo de los suelos.
Las principales características físicas de la zona en estudio se presentan a
continuación según el plan básico de ordenamiento territorial (PBOT).
Geología: se presentan diferentes formaciones del terciario y del cretáceo, las
principales formaciones que se presentan en la zona de estudio son: La formación
La Cira, se caracteriza por presentar un conjunto laminar arcilloso y superior
arenoso compacto con roca madura, este cubre un 26.10% del rió Negro para un
total de 1635.25 Ha del área de las subcuencas. La formación Villeta medio, se
35
caracteriza por limonitas, lutitas y arcillositas grises claras a negras con secuencia
calcárea, se encuentra especialmente en un 39.97% de la subcuenca del río
Negro. Por último la Formación Villeta inferior que presenta lutitas y limolitas
negras con pirita y sulfuros, corresponde un 10.67% del río Negro.
Precipitación: el municipio se halla rodeado por formaciones montañosas, la
distribución y combinación de elementos y factores contribuyen a determinar los
tipos de vegetación, suelos, erosión y los regímenes hidrológicos. La precipitación
media anual es de 1670mm y la media mensual es de 116.9mm. Este régimen
está influenciado por la zona de convergencia intertropical (ZCIT), la cual sufre
intensificaciones o atenuaciones en su efecto por el factor orográfico. La
distribución temporal de la precipitación es de tipo bimodal con un ligero descenso
en los meses de Febrero y Junio. La temporada lluviosa empieza en abril y se
prolonga hasta el mes de mayo con un segundo periodo que va de septiembre a
noviembre. El periodo seco va de diciembre a marzo y de junio a agosto.
Sistema Natural: El municipio de Nimaíma presenta grandes limitantes en sus
características biofísicas, especialmente en lo relacionado con los suelos y la
topografía. Algunas de las áreas de riesgos o amenazas naturales se encuentran
ubicadas en inmediaciones del casco urbano de Nimaíma. Las altas pendientes se
constituyen en otro factor determinante y limitante de las actividades antrópicas.
La vegetación nativa ha sido destruida encontrándose solo relictos de bosque
natural secundario, la fauna ha sido prácticamente destruida.
36
La dinámica fluvial del rió Negro, también representa riesgo y amenaza en
especial por fenómenos de socavación y erosión lateral, específicamente sobre la
infraestructura vial y algunos sectores poblados. El riesgo sísmico se encuentra en
el rango medio de acuerdo al Mapa de Riesgo Sísmico para Colombia del
INGEOMINAS.
3. METODOLOGÍA
La investigación realizada corresponde al tipo de investigación experimental
según Sabino “Un experimento consiste en someter un objeto en estudio a la
influencia de ciertas variables, en condiciones controladas y conocidas por el
investigador, para observar los resultados que la variable produce en el objeto.”
Para el desarrollo del proyecto se tendrán en cuenta principalmente tres fases
metodológicas.
Las fases en las que se desarrolló el presente proyecto de investigación fueron:
• FASE 1: PRELIMINARES
En esta etapa se hizo la búsqueda de informes hidrológicos y morfológicos, para
determinar las características principales del río Negro. También se hizo una
recolección de material perteneciente al lecho del río, para hacer una
caracterización del mismo.
• FASE 2: ENSAYOS DE LABORATORIO
En esta etapa se realizaron los ensayos necesarios para caracterizar el material
obtenido del lecho del río, transporte de sedimentos, profundidad de socavación y
análisis de velocidad.
38
• FASE 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS:
Con los resultados obtenidos por medio de los ensayos de laboratorio se hizo el
análisis a los datos obtenidos y así determinar el tipo de mitigación que se le dará
a las estructuras del puente para que no sufran deterioro.
OBJETO DE ESTUDIO
El objeto de estudio de la presente investigación fue la determinar el transporte de
sedimentos y socavación en el río Negro tramo Tobía - Nimaíma para la
elaboración de una estructura que salvaguarde las estructuras del puente.
INSTRUMENTOS
En el desarrollo de esta investigación se utilizó un modelo a escala del puente
afectado, el cual se monto sobre un canal que simula las condiciones naturales del
río.
COSTOS
Los costos de la presente investigación fueron de $9.361.599,00. (Anexo A).
39
4. TRABAJO INGENIERIL
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
4.1.1 Reconocimiento preliminar de campo.
Se realizo un reconocimiento visual de la zona, se tomaron fotografías y se realizo
un video del río Negro, en el puente ubicado en Tobía municipio de Nimaíma
también se realizó la recolección del material necesario para la caracterización del
mismo. Con la toma de fotografías y la medición de cada una de los elementos del
puente se recolectó la información necesaria para la elaboración de modelo a
escala tanto del tramo de rio como del puente q se encuentra en dicho tramo
FOTOGRAFIA 1. Vía Tobía FOTOGRAFIA 2. Rio negro
40
FOTOGRAFÍA 3. Puente sobre el rio negro (Tobía)
FOTOGRAFÍA 4. Pila a estudiar
41
FOTOGRAFIA 5. Dimensiones del punte.
42
FOTOGRAFÍA 6. Estado del puente
FOTOGRAFÍA 7. Estado de la pila FOTOGRAFÍA 8. Socavación
43
4.1.2 Recopilación de información general.
Se recopilo información general de la zona en la oficina de planeación del
municipio donde nos facilitaron el plan de ordenamiento territorial del municipio.la
información hacía referencia a las características propias de la región tales como
hidrología, geología y geomorfología.
También se recopilo información hidrológica del IDEAM, de la estación de Tobía,
municipio de Nimaíma, ubicada aproximadamente a unos 5Km aguas arriba del
punto estudiado.
4.1.3 Elaboración de la batimetría.
Para la elaboración de la batimetría se tomo como referencia el levantamiento
topográfico elaborado sobre el rio Negro por ALVARES MORENO, CAICEDO
ROJAS y MORENO BARCO, en su proyecto de grado22
4.1.4 Caracterización del suelo.
Se tomaron muestras representativas del suelo en la zona, en una lona (costal), y
en un balde con material de ribera y de fondo del rio negro, dichas muestras se
llevaron al laboratorio para su respectiva caracterización, donde se encontraron
22 Análisis del flujo del rio negro en el km 20+100 vía pacho la palma para establecer alternativas que mitiguen la socavación mediante la elaboración de un modelo hidráulico. 2007
44
básicamente rocas de origen aluvial inmerso en una matriz de material arcilloso,
posiblemente lutitas. Los resultados de los ensayos de granulometría se
encuentran en el (anexo A).
FOTOGRAFÍA 9. Material suelo. Rio negro
FOTOGRAFÍA 10. Material suelo. Rio negro
45
Geometría del modelo.
4.1.5 Determinación de la geometría.
La información obtenida del levantamiento topográfico anteriormente se
generaron 10 cortes trasversales en un tramo de 100 metros sobre el eje del rio,
estos cortes posteriormente sirvieron de referencia para la elaboración del
modelo.
Además de la información topográfica recopilada y de los cortes trasversales, se
complemento la geometría del modelo con la visita que se realizo al lugar de la
ubicación del puente en donde se tomaron las medidas de cada uno de los
elementos de puente para su posteriormente hacerle la reducción a la escala del
modelo. Se determinaron las escalas, tanto horizontal (E=1:100) como vertical
(E=1:100), teniendo en cuenta las dimensiones del canal en el cual se montaría el
modelo el cual tiene 50 cm de ancho y 3 m de largo, también se tuvieron en
cuenta otros factores relacionados con operación y costos de construcción.
Construcción del modelo
4.1.6 Selección de los materiales.
• Una lamina da madera de aproximadamente 5mm de grosor la cual sirvió
como soporte al modelo.
46
• Para facilitar la construcción del modelo y conseguir el relieve de la zona en
el estudio, se escogieron láminas de polietileno (icopor) de 1cm de espesor,
como material de base.
• Arcilla como material para generar el acabado natural de las curvas de
nivel.
• Pintura acrílica como material impermeabilizante.
• Silicona.
• Colbon.
• Platico.
• Plastilina.
4.1.7 Construcción del modelo.
Con la información digitalizada, se imprimieron los planos de los cortes
trasversales. Luego se tomaron las láminas de icopor de 50cm x 130cm las cuales
fueron unidas entre sí utilizando silicona liquida.
47
FOTOGRAFÍA 11. Construcción del modelo.
FOTOGRAFÍA 12. Construcción del modelo.
48
Posteriormente, se enrazo la superficie y se le dio la forma natural, rellenado los
espacios entre curvas de nivel, con una delgada capa de arcilla.
FOTOGRAFÍA 13. Enrase con arcilla.
FOTOGRAFÍA 14. Figuración de curvas de nivel.
49
FOTOGRAFÍA 15. Figuración fondo del rio.
Luego de conseguir la superficie deseada, se aplico el acrílico sobre la arcilla y
finalmente una capa de Colbon para garantizar, que el caudal que ingrese, no se
pierda por infiltraciones afectando así tanto el modelo como la toma de datos.
Posteriormente se realizó la construcción del modelo a escala de cada una de las
estructuras del puente a fue sometido a estudios, estas estructuras fueron
construidas fuera de las instalaciones de la universidad, y su material de
construcción fue madera.
La construcción de la estructura ensayada en el modelo, se realizó teniendo en
cuenta criterios básicos de diseño..
50
Pruebas de laboratorio
Al obtener los datos específicos del flujo del Rio Negro y las condiciones
geométricas del modelo se estableció una serie de pruebas bajo condiciones de
caudal máximo, caudal medio y caudal bajo, los cuales se determinaron mediante
un proceso de aforo de caudal y se encontraron los siguientes resultados.
Caudal máximo = 0.450 Lps
Caudal medio = 0.32 Lps
Caudal mínimo = 0.05 Lps
Se colocó el material extraído de la zona analizada sobre la superficie del modelo,
simulando las condiciones de sedimento y material grueso encontrado en el tramo
recto a analizar del rio.
Para este ensayo se determinaron una serie de puntos de referencia para verificar
si al aplicar los diferentes caudales existían cambios de altura o de niveles del
material colocado en el modelo de laboratorio.
Puntos que previamente habían sido medidos con el Limnimetro del laboratorio de
hidráulica para su posterior comparación una vez realizadas las diferentes
pruebas.
51
Se procedió a prender la motobomba y se graduó la válvula para un caudal
mínimo encontrándose una leve socavación en la pila del puente, se desprendió
poco material del sector analizado y no se presentaron cambios en los niveles de
los puntos de referencia.
Se realizó la misma prueba pero esta vez con caudal medio observando un gran
desprendimiento de material produciéndose un alto índice de socavación con este
ensayo se colocaron punto de referencia que posteriormente fueron medidos en el
terreno del modelo y se determino grandes cambios de nivel en el terreno
analizado, con pérdida completa de algunos puntos de referencia.
Finalmente se realizó la prueba con caudal máximo observándose una perdida
completa del material existente los puntos de referencia desaparecieron por
completo.
Definiendo la importancia de una obra de control para evitar la socavación por
completo de la pila y el posterior deterioro de la estructura del puente.se realizo un
sistema de dique guía para disminuir los efectos de socavación localizada en la
pila del puente, una estructura flexible que mitigue los efectos locales de la
socavación, sus especificaciones geométricas son detalladas en el plano N°2
52
FOTOGRAFÍA 16. Elaboración y proceso constructivo del dique guía.
FOTOGRAFÍA 17. Colocación del dique guía para la protección de la pila del puente.
53
FOTOGRAFÍA 18.Terminacion del dique guía para la protección de la pila del puente.
FOTOGRAFÍA 19. Tres Puntos guías establecidos para comprobar la eficiencia de la estructura de mitigación.
54
FOTOGRAFÍA 20.Prueba del muro enrocado para evitar la socavación en la pila del puente
FOTOGRAFÍA 21. Eficiencia del muro enrocado al evitar la socavación.
55
FOTOGRAFÍA 21. Toma de profundidades para verificar variaciones en las alturas de los puntos guías.
56
ANALISIS DE RESULTADOS
Resultados obtenidos para diferentes caudales en el laboratorio
57
Análisis de graficas
A bajos caudales se presentan pequeñas profundidades de socavación, este
mismo fenómeno se presenta a caudales mayores, mientras que a caudales
medios se presentan mayores profundidades de socavación.
58
A velocidades mayores se tienen profundidades de flujo menores, y mientras que
a velocidades menores la profundidad de flujo es mayor
El numero de Reynolds y el numero de Froude aumentan a medida que aumenta
el caudal es decir el valor de Reynolds y Froude son directamente proporcionales
al caudal que se presenta en el modelo y en el rio.
59
Las profundidades de socavación medidas en el modelo sin estructura de
contención en caudales altos no pudieron ser tomadas debido a que el agua
arrastro con todo el material.
Al colocar el enrocado en el modelo y tomar las profundidades de socavación para
caudales bajos, medios y altos no se presentaron variaciones en las mediciones
tomadas lo que indica que la aplicación de una estructura eliminaría la socavación
presentada en este sector del rio.
ESTUDIO MODELACION HIDRAULICA.
La modelación hidráulica en la zona del puente se realiza con la ayuda del
programa HEC-RAS desarrollado por el Hydrologic Engineering Center en su
versión 4.0 de marzo de 2008. El procedimiento básico de cálculo de este
programa se basa en la solución de la ecuación de energía unidimensional por el
método del paso estándar y la evaluación de las pérdidas de energía debidas a la
fricción con la expresión de Manning, este estudio hidráulico arroja resultados de
curvas de remanso debido a la contracción del flujo por las pilas del puente, así
como geometría del cauce, y parámetros hidráulicos.
60
Sus hipótesis principales son las de flujo estacionario (por lo tanto no hay variación
de la lámina de agua o de la velocidad con el tiempo), gradualmente variado (es
decir una distribución hidrostática de presiones) y unidimensional (la única
componente de la velocidad es en la dirección del flujo) y contornos rígidos (no se
admite erosión o sedimentación en el cauce).
Los datos de entrada al modelo son:
• Régimen del flujo: El programa HEC-RAS permite calcular de manera
simultánea flujo de tipo Mixto, es decir, considerándolo subcrítico o
supercrítico.
• Altura en la sección transversal inicial o final (para la consideración de
régimen subcrítico y supercrítico respectivamente): calculada a partir de la
pendiente de energía considerada generalmente igual a la del cauce, es
decir 0.027 m/m para el rio Negro.
• Caudal: 67.32 m3/s. correspondiente al caudal máximo registrado en la
estación limnigrafica del IDEAM en la corriente El Negro
• Coeficientes de pérdidas de energía, “n” de 0.025.
• Geometría de las secciones transversales y longitud de los tramos: el
tramo analizado para cada corriente, así como la identificación de las
secciones se observa en la Figura1 , en la que la sección transversal inicial
es la 10, que corresponde a la más aguas abajo y se incrementan de 10 en
10.
61
Figura1. Secciones modelación hidráulica
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING, “n”
La determinación del coeficiente de rugosidad de Manning, es un paso
fundamental en el análisis hidráulico, pues a partir de su estimación se determinan
las propiedades hidráulicas en la sección de cruce del puente.
Se emplean entonces dos diferentes metodologías para calcular el coeficiente de
rugosidad de Manning. La primera metodología determina los coeficientes a partir
de la granulometría del lecho. La segunda metodología es el método de Cowan en
62
que se establece el coeficiente de rugosidad a partir de las características del
cauce (Ven Te Chow, 1994 a).
ANÁLISIS DE GRANULOMETRÍAS DEL CAUCE
Para el puente se tomó una muestra del material del cauce en una zona
representativa del lecho, en que se pudiera extraer la muestra. Dichas muestras
se enviaron al laboratorio para establecer su curva granulométrica, la cual se
muestra en el ensayo granulométrico.
Se determinan entonces los diámetros característicos: dm (diámetro medio), D50,
D75, D90 y D95, definidos como el tamaño de la partícula promedio de la muestra o
el tamaño de partícula tal que es mayor que el 50%, 75%, 90% o 95%
respectivamente de las partículas de la muestra.
A partir de los anteriores diámetros característicos, es posible calcular el
coeficiente de rugosidad “n” con las siguientes expresiones:
Ecuación de Garde & Raju (1978), Subramanya (1982):
6
1
50047.0 Dn ×= Donde D50 es el diámetro para el cual pasa el 50% de las partículas (en metros). Ecuación de Strickler:
6
1
50034.0 Dn ×= Donde D50 es el diámetro para el cual pasa el 50% de las partículas (en pulgadas).
63
Ecuación de Meyer-Peter-Muller (1948):
6
1
90038.0 Dn ×= Donde D90 es el diámetro para el cual pasa el 90% de las partículas (en metros). Ecuación de Bray (1979):
16.0
500495.0 Dn ×= Donde D50 es el diámetro para el cual pasa el 50% de las partículas (en metros). Ecuación de Lane y Carlson:
6
1
75391 Dn ×=
Donde D75 es el diámetro para el cual pasa el 75% de las partículas (en
pulgadas).
Los resultados de los ensayos de granulometría practicados a las muestras
muestran que el material del cauce tiene una textura gruesa siendo arenas
gruesas. Los cálculos de diámetros característicos y coeficientes de rugosidad se
presentan en la siguiente tabla2 del cual se extraen los siguientes valores de
diámetro medio y el valor mediana de las diferentes rugosidades:
Diámetro medio, dm (mm)=7.94
Coeficiente “n” de Manning= 0.025
64
ANÁLISIS TEÓRICO
Otro enfoque para determinar los coeficientes de rugosidad es el de cuantificar los
factores que afectan el valor de “n”. Estos factores son considerados aplicando el
método de Cowan modificado (Chow, 1994 a).
Este método de Cowan modificado calcula el coeficiente “n” como:
543210 )( mnnnnnn ×++++=
Donde n0 corresponde a la rugosidad del material del cauce y los restantes
parámetros o factores que afectan el coeficiente de rugosidad y que
respectivamente son: irregularidades en la superficie (n1); cambios de forma y
tamaño de la sección (n2); obstrucciones (n3); vegetación y condiciones de flujo
(n4) y estructura de los meandros (m5)
De acuerdo a lo anterior se calcula el coeficiente “n” tal como se presenta en la
siguiente tabla.
Se resalta en la tabla, un incremento de 0.005 en la rugosidad entre el cauce
central y las márgenes lateral de las corrientes, en las que la vegetación es mayor
y se incrementa la rugosidad.
65
Tabla2. Coeficiente de rugosidad de Manning por el método de Cowan
Factor Margen izquierdo Cauce central Margen derecho Material Involucrado n0 Arena
gruesa 0.030 Arena gruesa 0.030 Arena
gruesa 0.030
Grado De Irregularidad n1 No 0.000 No 0.000 No 0.000
Variaciones Sección Transversal
n2 Ocasional 0.005 Ocasional 0.005 Ocasional 0.005
Obstrucciones n3 Menor 0.005 No 0.000 Menor 0.005 Vegetación n4 Baja 0.005 Baja 0.005 Baja 0.005 Meandros n5 Menor 1.00 Menor 1.00 Menor 1.00 Rugosidad de Manning n 0.045 0.040 0.045
VALORES DE RUGOSIDAD SELECCIONADOS
El análisis granulométrico de las corrientes fue un ejercicio concienzudo que
caracteriza el tipo de rugosidad superficial del cauce, pero que debe ser
complementado para considerar otros aspectos que influyen en la rugosidad.
El análisis de los coeficientes de rugosidad, a partir de la granulometría arroja
valores entre 0.0290 y 0.030, con un valor medio de 0.025 para el cauce y 0.025
para las márgenes del rio.
Se considera que estos últimos valores de n=0.025 por lo que la granulometría se
considera bastante representativa para el lecho y las bancas, para las condiciones
del río Negro y son estos los valores asumidos en la modelación hidráulica.
66
Tabla del perfil de flujoRiver Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude # Chl
(m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2) (m)
100 PF 1 67.32 98 99.01 99.2 99.67 0.020009 3.59 18.75 36.92 1.6
90 PF 1 67.32 97 99.25 98.03 99.27 0.000154 0.71 95.25 55.96 0.17
80 PF 1 67.32 97 99.25 99.27 0.000155 0.71 95.12 54.86 0.17
70 PF 1 67.32 97 99.24 99.27 0.000155 0.71 95.03 54.86 0.17
60 PF 1 67.32 97 99.15 99.26 0.00075 1.59 49.93 44.31 0.38
50 PF 1 67.32 97 99.12 98.49 99.25 0.000859 1.68 46.64 41.47 0.41
45 Bridge
30 PF 1 67.32 97 98.96 99.2 0.001988 2.27 32.33 29.5 0.6
20 PF 1 67.32 97 98.92 98.73 99.18 0.002358 2.4 31.46 35.48 0.64
10 PF 1 67.32 97 98.65 98.65 99.12 0.005171 3.13 23.06 26.04 0.93
RESULTADOS MODELACIÓN HIDRÁULICAAnexo - Cuadro 1Puente rio Negro
0 20 40 60 80 10096
97
98
99
100
101
102
Puente Rio Negro Plan: Plan 01 22/09/2010
Main Channel Distance (m)
Ele
vatio
n (m
)
Legend
EG PF 1
WS PF 1
Crit PF 1
Ground
RIO NEGRO 10
-30 -20 -10 0 10 20 3097
98
99
100
101
102
Puente Rio Negro Plan: Plan 01 22/09/2010
Station (m)
Ele
vatio
n (m
)
Legend
EG PF 1
WS PF 1
Crit PF 1
Ground
Bank Sta
.025 .025 .025
-20 -15 -10 -5 0 5 10 1597
98
99
100
101
102
Puente Rio Negro Plan: Plan 01 22/09/2010
Station (m)
Ele
vatio
n (m
)
Legend
EG PF 1
WS PF 1
Crit PF 1
Ground
Bank Sta
.025 .025 .025
67
Plan: Plan 01 RIO NEGRO 10 RS: 45 Profile: PF 1 E.G. US. (m) 99.25 Element Inside BR US Inside BR DS W.S. US. (m) 99.12 E.G. Elev (m) 99.25 99.23 Q Total (m3/s) 67.32 W.S. Elev (m) 99.12 99.01 Q Bridge (m3/s) 67.32 Crit W.S. (m) 98.49 98.62 Q Weir (m3/s) Max Chl Dpth (m) 2.12 2.01 Weir Sta Lft (m) Vel Total (m/s) 1.47 1.99 Weir Sta Rgt (m) Flow Area (m2) 45.93 33.86 Weir Submerg Froude # Chl 0.32 0.45
RESULTADOS SOCAVACIÓN Anexo - Cuadro 2 Puente rio Negro
68
Hydraulic Design ‐ Bridge Scour River=RIO NEGRO Reach= 10 RS = 45 BR
Contraction Scour Left Channel Right Ys (m): 0 0,06 0 Vc (m/s): 1,11 1,31 1,09 Equation: Clear Live Clear Abutment Scour Left Right Abutment Ys (m): 0,93 0,73 Ve= 0,38 0,12 Froude #: 0,24 0,24 Equation: Froehlich HIRE Combined Scour Depths Left abut + contr (m): 0,93 Right abut + contr (m): 0,73
APLICACIÓN DE SOFTWARE PARA EL CÁLCULO DE SOCAVACION EN EL
PUENTE RIO NEGRO
Para el cálculo de socavación del puente, se usó el programa computacional de
dominio público HEC-RAS (River Analysis System) del US Army Corps
Engineering. El programa y sus manuales se pueden obtener en la página web:
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras. Esta herramienta útil para realizar
los cálculos hidráulicos necesarios y los análisis de socavación por contracción y
por socavación local, tanto para pilas como para estribos.
69
4.1.8 ACERCA DEL PROGRAMA.
El cálculo de la socavación en puentes a partir de la aplicación del software HEC
RAS V.4.0, se basa en los métodos presentados en la publicación HEC 18
(FHWA, 2001). Para desarrollar un análisis de socavación aplicando el HEC RAS,
se debe conocer los procedimientos esbozados en la publicación HEC 18.
Adicionalmente, se requieren conocimientos avanzados en el manejo del software.
En orden a desarrollar un análisis de socavación del puente, el usuario debe
desarrollar primero el modelo hidráulico del tramo en el río que contiene el puente
a ser analizado.
Después de realizar los cálculos del perfil de la superficie de agua para la
creciente de diseño y calcular la distribución del flujo a través de la estructura, la
socavación del puente debe ser evaluada. La socavación total producida por un
puente se compone de la socavación general (por contracción) y socavación local,
tanto en pilas como en estribos. HEC RAS, tiene la capacidad de calcular, la
socavación por contracción y la socavación local, tanto en pilas como en los
estribos.
70
• Socavación por contracción
El programa analiza los cuatro (4) casos de contracción que se pueden presentar.
Para determinar si el flujo de aguas arriba está transportando material del lecho, el
programa compara la velocidad media del flujo, V, y la velocidad crítica para
iniciación de movimiento, Vc, y determina la condición de análisis ya sea por agua
clara (clear water) o por movimiento del lecho (live-bed). Si la velocidad crítica en
el material del lecho en la sección de aproximación de aguas arriba del puente es
mayor que la velocidad media (Vc > V), entonces la condición por agua clara será
supuesta; en caso contrario, el programa asumirá la condición por movimiento de
lecho. El usuario tiene la opción de establecer la condición que desee analizar a
pesar de la que el programa establezca previamente.
Finalmente, el programa calcula la socavación por contracción por el método de
Laursen.
• Cálculo de la socavación local en pilas
El método de la Universidad Estatal de Colorado, CSU, es el preestablecido en el
programa HEC RAS para el cálculo de la socavación local en pilas, tanto como
71
socavación en pilas, como general. En adición a la ecuación dada por la CSU, la
ecuación desarrollada por el Dr. David Froehlich (1991) ha sido adicionada al
programa como una ecuación alternativa para calcular la socavación por ajustar
bien con datos observados en campo.
Método de la Universidad Estatal de Colorado, CSU (1975).
El documento HEC – 1823 de la Federal Highway Administratión de los Estados
Unidos de América, adopta este método para el cálculo de la socavación local en
pilas. La ecuación propuesta por la CSU, es la ecuación predeterminada en el
software HEC RAS V.4.0., para el cálculo de la socavación en pilas.
La ecuación es:
43.065.0
14321
11
0.2 Rs F
YaKKKK
YY
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Donde:
Ys = profundidad de socavación, m.
Y1 = profundidad del flujo directamente aguas arriba de la pila, m.
K1 = factor de corrección por forma de la pila.
23 Federal Highway Administration, Evaluating Scour at Bridges, Fourth Edition. Hydraulic Engineering Circular No. 18. US Department of Transportation, May 2001.
72
K2 = factor de corrección por ángulo de ataque del flujo
K3 = factor de corrección por condiciones del lecho
K4 = factor de corrección por acorazamiento del material del lecho
a = ancho de la pila, m
L = longitud de la pila en la dirección del flujo, m. Ver Figura
Fr1 = número de Froude directamente aguas arriba de la pila = V1 / (gY1)1/2
V1 = velocidad media del flujo directamente aguas arriba de la pila, m/s
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
El factor de corrección, K1, depende de la forma de la pila, Figura, y se obtiene de
la Tabla 3 Sin embargo, se debe considerar que si el ángulo de ataque, θ, de la
corriente es mayor a 5º se utiliza un factor, K1, igual a 1.0.
Figura Formas típicas de pilas – HEC 18. (2001).
Tabla 3
Factor de corrección por forma de la pila (K1)
Forma de la pila K1 • Nariz cuadrada 1.1 • Nariz redonda 1.0
73
• Circular 1.0 • Nariz puntiaguda 0.9 • Grupo de pilas cilíndricas 1.0
El factor de corrección, K2, depende del ángulo de ataque de la corriente y se
obtiene de la Tabla 6.3. Este factor se calcula usando la siguiente ecuación:
65.0
2 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ += θθ Sen
aLCosK (6.24)
Si L/a > 12, usar L/a = 12 como valor máximo en la ecuación y en la Tabla 3
Tabla 4 Factor de corrección por ángulo de ataque de la corriente (K2)
Ángulo (θ) L/a = 4 L/a = 8 L/a = 12 0 1.0 1.0 1.0
15 1.5 2.0 2.5 30 2.0 2.75 3.5 45 2.3 3.3 4.3 60 2.5 3.9 5.0
L = longitud de la pila en la dirección del flujo, m a = ancho de la pila, m
El factor de corrección, K3, depende de la condición del lecho y se obtiene de la
Tabla 5
Tabla 5
Factor de corrección por la forma del lecho (K3) Condición del lecho Altura de la duna (m) K3
Socavación en agua clara N/A 1.1 Lecho plano y antidunas N/A 1.1
Dunas pequeñas 3>H ≥ 0.6 1.1 Dunas medianas 9>H ≥ 3 1.2 a 1.1Dunas grandes H ≥ 9 1.3
74
El factor de corrección K4 busca disminuir la profundidad de socavación estimada
por el acorazamiento que se pueda presentar en la fosa socavada por los
materiales del lecho que tienen un d50 igual o mayor que 2.0 mm y d95 igual o
mayor que 20 mm.
Si d50 < 2 mm o d95 < 20 mm, entonces K4 = 1 Si d50 >= 2 mm y d95 >= 20 mm, el factor K4 se calcula como:
( ) 15.04 4.0 RVK =
Donde:
09550
501 >−
−=
icdcd
icdR VV
VVV
Vicdx= velocidad de aproximación requerida para iniciar la socavación en la pila para el tamaño de grano dx (m), m/s
xx cdx
icd Vad
V053.0
645.0 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Vcdx = velocidad crítica para el movimiento incipiente para el tamaño del grano dx (m), m/s
3161119.6 xcd dYV
X=
Donde: Y1 = profundidad del flujo justo aguas arriba de la pila, excluyendo la socavación local, m V1 = velocidad media del flujo directamente aguas arriba de la pila, m/s dx = tamaño del grano para el cual el porcentaje x del material del lecho es más fino, m El valor mínimo del factor K4 deber ser igual a 0.40 Cálculo de la socavación en pilas.
75
43.065.0
14321
11
0.2 Rs F
YaKKKK
YY
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Para un D95
K1 = 1
K2 = 1
K3 = 1.1
( ) 15.04 4.0 RVK =
09550
501 >−
−=
icdcd
icdR VV
VVV
xx cdx
icd Vad
V053.0
645.0 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
3161119.6 xcd dYV
X=
Y1 = 2.12
dx = 0.03014
V1 = 1.47 m/s
31611 )03014.0()12.2(19.6=
XcdV = 2.18 m/s
.2/18.2
30.203014.0645.0
053.0
smm
Vxicd ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
= 1.11 m/s
76
smVR /25.411.127.1
79.047.1=
−
−=
Para un D50
dx = 0.03014
Vicdx= 0.79 m/s
Vicdx= 1.27 m/s
( ) 15.04 /25.44.0 smK = = 0.49
Fr1 = 0.32
Ys = (2.0 (1 * 1.1 * 0.49) 65.0
12.230.2
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ 43.032.0 12.2)
Ys = 1.47 m en la pila.
• Cálculo de la socavación total en el puente
La socavación total considerada en el HEC-RAS es la combinación de la
socavación por contracción y la socavación individual de pilas y estribos. El
programa, a través de un reporte, caracteriza la información de entrada y los
resultados del análisis y presenta la envolvente de socavación de manera gráfica
77
CONCLUSIONES
En el desarrollo de este proyecto se tiene en cuenta dos tipos de cálculos para
determinar la socavación que se presenta en la pila del puente del rio negro tramo
Tobia - Nimaima se determino un modelo físico a escala y una modelación por
medio del programa HEC – RAS.
En la primera fase los cálculos de socavación como tendencia general son el
resultado de mediciones de laboratorio de un modelo para un caso especifico,
básicamente al construirse el puente en este sitio se presenta una contracción del
flujo representando una variación en el ancho de la corriente, dicha contracción
genera una socavación local sobre la pila del puente afectando su estabilidad.
En el programa HEC – RAS se comprueba de manera grafica con una serie de
datos específicos la presencia de la socavación por contracción y la socavación
local a gran escala en la pila del puente el programa previamente analizado no
plantea una solución hidráulica al fenómeno local de la socavación.
En el modelo físico se plantea la construcción de una estructura guía para la
protección de la pila del puente se comprobó la reducción de la profundidad de
socavación al colocar un dique guía en enrocado reduciendo los niveles de
turbulencia que se presentan en el flujo.
78
No se presentan variaciones de nivel en los puntos guías analizados en el
laboratorio lo cual nos indica que no hay desprendimiento de material que
comprometa la estabilidad del puente, la estructura flexible que se coloco para
mitigar el efecto local de la socavación es la mejor opción para controlar
eficazmente la profundidad de la socavación en este punto del puente.
79
BIBLIOGRAFIA
BUSTOS BUSTOS, José Gonzalo. Plan básico de ordenamiento territorial para el
municipio de Nimaíma. Documento resumen. Nimaíma (Cundinamarca): Alcaldía
Municipal; 2010. 56p.
DIAZ SUAREZ, Jaime. Control de erosión en zonas tropicales. Bucaramanga-
Colombia: Universidad Industrial de Santander. 2003
HORANGE WILLIAMS, King. Manual de Hidráulica. 1ed. México: Editorial
Hispano América; 1997. 422p.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
Tesis y otros programas de grado (QUINTA ACTUALIZACIÓN). Bogotá:
ICONTEC, 2007.
MARTIN VIDE, Juan Pedro. Ingeniería Fluvial. 1ed. Bogotá: Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería; 1997.
SAMPER UMAÑA, Felipe. Diagnostico ambiental cuenca Río negro. Bogotá.
Octubre 1989.
TORRES HERRERA, Francisco. Obras Hidráulicas. México: Editorial limusa;
1983; 77p.
Documento técnico .Nimaíma (Cundinamarca): Alcaldía Municipal; 2009. 174p.
80
ANEXO A
COSTOS
RECURSOS MATERIALES
Los recursos materiales que serán necesarios para el desarrollo de la presente
investigación son:
Tabla 1: Presupuesto recursos materiales.
CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD VR. UNITARIO VR. TOTAL Papel Bond tamaño carta Unidad 4 $ 10.000,00 $ 40.000,00Discos Compactos Unidad 10 $ 1.000,00 $ 10.000,00Fotocopias Unidad 500 $ 100,00 $ 50.000,00Impresiones (Cartuchos) Global 1 $ 800.000,00 $ 800.000,00
TOTAL RECURSOS MATERIALES $ 900.000,00
RECURSOS INSTITUCIONALES
Los recursos institucionales que serán necesarios para el desarrollo de la presente
investigación son:
• Universidad de La Salle
o Laboratorio de Hidráulica
• Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca – CAR
• Instituto de estudios ambientales y meteorológicos- IDEAM
81
• Alcaldía Municipal de Quebrada Negra
RECURSOS TECNOLÓGICOS
Los recursos tecnológicos que serán necesarios para el desarrollo de la presente
investigación son:
Tabla 2: Presupuesto recursos tecnológicos.
CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD VR. UNITARIO VR. TOTAL Computador Unidad 1 $ 1.600.000,00 $ 1.600.000,00Impresora Unidad 1 $ 400.000,00 $ 400.000,00Cámara digital Unidad 1 $ 500.000,00 $ 500.000,00Laboratorio de Hidráulica Horas 100 $ 50.000,00 $ 5.000.000,00
TOTAL RECURSOS TECNOLÓGICOS $ 7.500.000,00
RECURSOS HUMANOS
Los recursos humanos que serán necesarios para el desarrollo de la presente
investigación son:
Tabla 3: Presupuesto recursos humanos.
CARGO ENCARGADO No HORAS VR. TOTAL Investigador Estudiante proyecto de grado 80 -----------------
Coinvestigadores Director temático24 20 $ 120.000,00Asesora metodológica25 20 $ 148.148,00
TOTAL RECURSOS HUMANOS $ 268.148,00
RECURSOS FINANCIEROS
24 Valor asumido por la Universidad de La Salle, según resolución rectoría No. 129 de noviembre 24 del 2006. 25 Valor asumido por la Universidad de La Salle, según contrato laboral.
82
La totalidad de recursos financieros a utilizar para el desarrollo de la presente
investigación son:
Tabla 4: Presupuesto recursos financieros.
ÍTEM
FUENTES DE FINANCIACIÓN UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE
INGENIERIA CIVIL ESTUDIANTES TOTAL
Materiales $ 900.000,00 $ 900.000,00 Tecnológicos $ 5.000.000,00 $ 2.500.000,00 $ 7.500.000,00 Humanos $ 268.148,00 $ 268.148,00 Subtotal $ 5.268.148,00 $ 3.400.000,00 $ 8.668.148,00 Imprevistos (8%) $ 421.451,00 $ 272.000,00 $ 693.451,00 TOTAL $ 5.689.599,00 $ 3.672.000,00 $ 9.361.599,00
TOTAL RECURSOS FINANCIEROS $ 9.361.599,00
83
ANEXO B
GRANULOMETRÍA DEL MATERIAL
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
0.01
0.1
110
100
% que pasa
φ tam
iz (m
m)