ANÁLISIS HIDROLÓGICO Y RECOMENDACIONES PARA LA ...valor del coeficiente de rugosidad de Manning...

ANÁLISIS HIDROLÓGICO Y RECOMENDACIONES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE CAUCES EN ALGUNAS CUENCAS DE LA

JURISDICCIÓN DE CORANTIOQUIA

Convenio No. 1506-87 de 2015

INFORME DE DISEÑO

OBRAS DE PROTECCION EN EL SECTOR CHICHARRAS DEL RÍO MEDELLIN

FEBRERO DE 2016

ANÁLISIS HIDROLÓGICO Y RECOMENDACIONES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE CAUCES EN ALGUNAS CUENCAS DE

LA JURISDICCIÓN DE CORANTIOQUIA Convenio No. 1506-87 de 2015

Informe de diseño obras de protección en el sector chicharras del río Medellín i

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1

2. HIDROLOGÍA ............................................................................................................................... 2

3. HIDRÁULICA ............................................................................................................................... 3

3.1. INSUMOS PARA EL MODELO HIDRÁULICO .......................................................................................... 4

3.2. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL FLUJO EN CONDICIONES NATURALES .................. 7

3.3. SOCAVACIÓN GENERAL ............................................................................................................................. 12

4. OBRAS PROPUESTAS ............................................................................................................ 13

4.1. SIMULACIÓN DEL FLUJO EN CONDICIONES PROYECTADAS .................................................... 15

4.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN LAS ESTRUCTURAS .................................................................................. 20

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................... 20

6. REFERENCIAS .......................................................................................................................... 21

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Caudales máximos estimados para el tramo de Chicharras por el método de regionalización de características medias. ......................................................................... 3

Tabla 2. Coeficientes de rugosidad de Manning. .................................................................................. 6

Tabla 3. Diámetros característicos del material del lecho del río Medellín en la estación Girardota. ....................................................................................................................... 6

Tabla 4. Valores estimados para el coeficiente de rugosidad n de Manning. ........................... 6

Tabla 5. Parámetros hidráulicos obtenidos para Q1.5 = 269.5 m3/s en condiciones naturales. ......................................................................................................................................... 9

Tabla 6. Parámetros hidráulicos obtenidos para Q100 = 543.9 m3/s en condiciones naturales. ....................................................................................................................................... 11

Tabla 7. Profundidades máximas de socavación general estimadas para el tramo de estudio. ........................................................................................................................................... 13

Tabla 8. Parámetros hidráulicos asociados al Q1.5 = 269.5 m3/s, en condiciones proyectadas. ................................................................................................................................. 15



Informe de diseño obras de protección en el sector chicharras del río Medellín ii

Tabla 9. Parámetros hidráulicos asociados al Q100 = 543.9 m3/s en condiciones proyectadas. ................................................................................................................................. 17

Tabla 10. Profundidades máximas de socavación local estimadas para el tramo de estudio. ........................................................................................................................................... 20

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Ubicación del tramo de estudio y del punto crítico en el sector Chicharras km 6 vía Hatillo - Barbosa. ........................................................................................................ 1

Figura 2. Localización del punto crítico del sector Chicharras en Barbosa............................... 2

Figura 3. Relación Caudal (m3/s) vs. Período de retorno (años) para el sector Chicharras. ...................................................................................................................................... 3

Figura 4. Alineamiento en planta del tramo de simulación en el modelo hidráulico. ........... 5

Figura 5. Curva granulométrica del material del lecho del río Medellín en la estación Girardota.......................................................................................................................................... 6

Figura 6 Imagen aérea y perfil hidráulico para Q1.5 y Q2.33 años tramo “Chicharras” - río Medellín..................................................................................................................................... 8

Figura 7. Sección 45 (K0+149), socavación importante hacia la margen izquierda. ............. 8

Figura 8 Sección 29 (K0+380), reducción brusca en ancho y profundidad, garganta o control litológico número uno................................................................................................. 8

Figura 9. Sección 10 (K0+643), reducción brusca en ancho y profundidad, garganta o control litológico número dos. ............................................................................................. 9

Figura 10. Sección 7 (K0+691), sección punto crítico “Chicharras”............................................. 9

Figura 11. Localización estructuras proyectadas ............................................................................. 14

Figura 12. Sección 8.5 (K0+670, estructura direccionadora de flujo No.1 .............................. 19

Figura 13 Sección 6.5 (K0+694), estructura direccionadora de flujo No.2. ............................ 19

Figura 14. Sección 5.5 (K0+720), estructura direccionadora de flujo No. 3. .......................... 19

Figura 15. Sección 2.5 (K0+748), estructura direccionadora de flujo No.4. ........................... 19

LISTA DE FOTOS

Foto 1. Batimetría en el punto crítico “Chicharras”.| ......................................................................... 4

Foto 2. Extracción de material aluvial en el punto crítico – “Chicharras”. ................................ 4



Informe de diseño obras de protección en el sector chicharras del río Medellín 1

1. INTRODUCCIÓN

El presente informe contiene los estudios y diseños de las obras de protección de las márgenes del río Medellín en el sector conocido como “Chicharras" - km 6 en la vía Hatillo - Barbosa, este punto crítico se encuentra localizado 250 m aguas arriba de la entrada a la vía que conduce a concepción, y a 962 m aguas arriba del inicio del casco urbano del Municipio de Barbosa (Figura 1). Durante el desarrollo del presente contrato “Análisis hidrológico y recomendaciones para

la estabilización de cauces en algunas cuencas de la jurisdicción de Corantioquia-Convenio

No. 1506-87 de 2015”, este sitio fue identificado por la Universidad Nacional como crítico debido a la cercanía del río con la vía y a la extracción de grandes cantidades de material aluvial. Este punto, ubicado sobre la margen derecha del río Medellín corresponde a una curva externa en la cual el río naturalmente erosiona, proceso que es posiblemente acelerado por la extracción continuada de material, quedando en riesgo la estabilidad de la vía, pues esta se encuentra a menos de 20 metros de distancia.

El sector Chicharras se encuentra ubicado dentro de la cuenca del río Medellín, al norte del Valle de Aburrá y en sobre la margen oriental; hasta este punto, la cuenca del río Medellín tiene un área de 894.91 km2, y un perímetro de 207.07 km.

Figura 1. Ubicación del tramo de estudio y del punto crítico en el sector Chicharras km 6 vía Hatillo - Barbosa.




El documento se divide en varios capítulos que presentan respectivamente, los estudios hidrológicos, hidráulicos y sedimentológicos, cantidades de obra, especificaciones técnicas y presupuesto.

2. HIDROLOGÍA

La estimación del caudal al inicio del tramo de interés se obtuvo mediante una relación de áreas de drenaje a partir de los caudales estimados con el método de regionalización de características medias en el proyecto “red de monitoreo ambiental en la cuenca hidrográfica del río Aburra-Medellín en jurisdicción del área metropolitana Fase I” (UNAL, 2005). Es importante mencionar que el método de regionalización de características medias relaciona los parámetros estadísticos de los caudales extremos con las características geomorfológicas, climáticas y topográficas de la cuenca hasta el punto de interés (Figura 2), para el cual se tiene un área drenada de 894.91 km2 y un perímetro de 207.07 km.

Figura 2. Localización del punto crítico del sector Chicharras en Barbosa.

Medellín

Bello




La Tabla 1 se presentan los caudales máximos y sus correspondientes áreas de drenaje en las estaciones Hatillo y Papelsa del proyecto “red de monitoreo ambiental en la cuenca hidrográfica del río Aburra-Medellín en jurisdicción del área metropolitana Fase I” (UNAL, 2005). Los datos del sitio Chicharras fueron interpolados a partir de las estaciones anteriores y el caudal fue estimado mediante la regresión que se presenta en la Figura 3.

Tabla 1. Caudales máximos estimados para el tramo de Chicharras por el método de regionalización de características medias.

Estación Área (km2) Periodo de Retorno (años)

1.5 2.33 5 10 25 50 100

Hatillo 862.79 - 283.8 339.6 385 442.5 485.1 527.3

Chicharras 894.91 269.5 294.1 351.3 397.9 456.9 500.5 543.9

Papelsa 1030.37 - 337.5 400.8 452.3 517.4 565.7 613.7

Figura 3. Relación Caudal (m3/s) vs. Período de retorno (años) para el sector Chicharras.

3. HIDRÁULICA

La simulación hidráulica del sector Chicharras (780 m aproximadamente) se realizó con el fin de estimar los parámetros hidráulicos del flujo requeridos dimensionar la solución propuesta para atender la problemática del sitio crítico. Esta simulación se realizó con el Software HEC – RAS versión 4.1.0 del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos de América.




3.1. INSUMOS PARA EL MODELO HIDRÁULICO

� Topo-batimetría. Se empleó la topobatimetría levantada por el señor Eladio Gónima López en un tramo de aproximadamente 780 m, dentro del cual se encuentra el punto o sitio crítico conocido como “Chicharras”, ubicado frente a la entrada de la vereda los Pinos (km 6 vía Hatillo – Barbosa), donde además de la cercanía del río a la vía Hatillo – Barbosa, se extraen cantidades importantes de material aluvial (arenas). La Foto 1 y Foto 2 muestran, respectivamente, las actividades de la batimetría realizadas en la zona y el proceso de explotación de material aluvial que realizan algunas personas allí.

Foto 1. Batimetría en el punto crítico

“Chicharras”.|

Foto 2. Extracción de material aluvial en

el punto crítico – “Chicharras”.

De la topobatimetría del tramo se extrajeron 53 secciones transversales que abarcaban tanto el cauce del río Medellín como su llanura de inundación; entonces, se obtuvo una geometría con secciones distanciadas como máximo cada 20 m, las cuales inician en el K0+020 y terminan el K0+760, respectivamente aguas arriba y aguas abajo del punto crítico y son equivalentes en el modelo HECRAS a las secciones 52 y 2, respectivamente (Figura 4).

� Coeficientes de rugosidad. Los coeficientes de rugosidad de Manning empleados se relacionan en la Tabla 2; estos fueron tomados de la literatura existente (Chow, 1994) y ajustados según los datos y resultados obtenidos por Barbosa Gil (2013) para la zona de estudio. Así, con los diámetros característicos de la curva granulométrica (Figura 5 y Tabla 3) se estimaron coeficientes de rugosidad de Manning por diferentes metodologías (Tabla 4); finalmente, fue posible sugerir un valor del coeficiente de rugosidad de Manning para el lecho del río Medellín en el tramo de estudio de 0.024.

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CUENCAS DE LA JURISDICCIÓN DE CORANTIOQUIA Convenio No. 1506-87 de 2015


Figura 4. Alineamiento en planta del tramo de simulación en el modelo hidráulico.

K0+760

Sitio Crítico “Chicharras”

Gargan

ta Garganta

Sitio Crítico “Chicharras”



Informe de diseño obras de protección en el sector Chicharras del río Medellín 6

Tabla 2. Coeficientes de rugosidad de Manning.

“n” Manning Descripción Margen

Izquierda Lecho

Margen Derecha

0.032 0.024 0.032 Canal natural con vegetación en las orillas, presenta

dos ancones o gargantas, donde la sección transversal de la corriente se contrae bruscamente.

Figura 5. Curva granulométrica del material del lecho del río Medellín en la estación Girardota.

Tabla 3. Diámetros característicos del material del lecho del río Medellín en la estación Girardota.

Di (mm)

D10 D35 D50 D65 D84 D90

1 6 21 50 100 120

Tabla 4. Valores estimados para el coeficiente de rugosidad n de Manning.

Metodología “n” Manning

Posada & Posada (1998) 0.026

Garde & Raju (1978) 0.025

Meyer - Peter & Muller (1948) 0.027

Raudkivi (1976) 0.027

Strickler (1923) 0.025

Yen (1992) 0.027

Chow (1959) 0.025

Simons & Senturk (1976) 0.020

Henderson (1966) 0.022

Bray (1979) 0.031




� Condiciones de frontera. Dado que la simulación se realizó bajo un régimen subcrítico, se introdujo al modelo como condición se frontera, la profundidad normal asociada a la pendiente (0.003 m/m) en el último tramo.

3.2. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL FLUJO EN CONDICIONES NATURALES

La simulación hidráulica realizada para las condiciones naturales evaluó con especial atención los parámetros hidráulicos obtenidos para caudales máximos de periodos de retorno menores (Q1.5 y Q2.33), es decir, los más frecuentes e influyentes en la geometría del cauce. Además, es importante resaltar que en el tramo se identificaron tres gargantas o controles litológicos (knickpoints), ubicados en el K0+380, K0+643 y K0+760; más adelante se mostrara que estos controles ejercen una influencia bastante fuerte en los parámetros hidráulicos del río.

El perfil hidráulico se muestra en la Figura 6; allí se observan los niveles correspondientes a los caudales máximos de 1.5 y 2.33 años de periodo de retorno (Q1.5 y Q2.33). Es importante resaltar, la perturbación que genera en ambos perfiles de flujo la contracción o garganta ubicada en el K0+380 y los huecos de socavación ubicados en el K0+149 (sección 45), K0+600 (sección 14) y K0+691 (sección 7), asociados a una curva externa y a dos contracciones o gargantas, respectivamente.

En la Figura 7 a Figura 10 se muestran las secciones transversales de los puntos más representativos del tramo, ya sea por los procesos de erosión y socavación que presentan o por que corresponden a los controles litológicos; allí, es posible apreciar los niveles producidos por los caudales máximos de 1.5 y 2.33 años de periodo de retorno (Q1.5 y Q2.33).

En la Tabla 5 y Tabla 6 se presentan los parámetros hidráulicos asociados a los caudales de 1.5 y 100 años de periodo de retorno (Q1.5 = 269.5 m3/s y Q100 = 543.9 m3/s). Se resaltan en color amarillo los tramos que presentan intensos procesos de erosión y socavación (K0+100 - K0+200, K0+560 - K0+603 y K0+643 - K0+760, el ultimo corresponde al sector “Chicharras”). En color verde se resaltan tres gargantas o controles litológicos (knickpoints K0+380, K0+643 y K0+760), en los cuales se observa un aumento importante en la velocidad y una reducción en el área de flujo.

Es importante resaltar que para ambos caudales analizados, se encontró un cambio de régimen de flujo en las secciones encañonadas o gargantas y un aumento significativo del esfuerzo cortante.




Figura 6 Imagen aérea y perfil hidráulico para Q1.5 y Q2.33 años tramo “Chicharras” - río Medellín.

Figura 7. Sección 45 (K0+149), socavación

importante hacia la margen izquierda.

Figura 8 Sección 29 (K0+380), reducción

brusca en ancho y profundidad, garganta o control litológico número uno.




Figura 9. Sección 10 (K0+643), reducción

brusca en ancho y profundidad, garganta o control litológico número dos.

Figura 10. Sección 7 (K0+691), sección punto

crítico “Chicharras”.

Tabla 5. Parámetros hidráulicos obtenidos para Q1.5 = 269.5 m3/s en condiciones naturales.

Abscisa Sección HECRAS

Cota Vel. Área R H Froude Ancho Esfuerzo

(msnm) (m/s) (m2) (m) (m) (m) (N/m2)

K0+020 52 1290.96 1.77 152.31 1.91 3.64 0.52 77.79 13.68

K0+040 51 1290.91 1.59 169.07 2.04 3.71 0.44 80.00 10.89

K0+060 50 1290.58 1.72 156.46 1.91 3.98 0.50 79.95 11.46

K0+080 49 1290.35 1.63 164.90 2.05 4.23 0.45 77.88 10.02

K0+100 48 1288.98 1.42 190.26 2.47 5.60 0.38 72.87 8.19

K0+120 47 1288.52 1.16 231.39 2.85 6.11 0.27 75.99 3.70

K0+140 46 1288.17 1.28 209.88 2.99 6.43 0.29 65.07 5.16

K0+149 45 1288.00 1.34 201.73 2.69 6.56 0.35 70.58 6.63

K0+160 44 1288.18 1.37 196.18 2.34 6.36 0.39 80.00 6.04

K0+180 43 1288.48 1.41 191.52 2.29 6.04 0.41 80.00 8.22

K0+200 42 1288.98 1.47 183.86 2.19 5.52 0.43 80.00 10.54

K0+220 41 1288.50 1.65 163.12 2.11 5.96 0.47 74.55 13.10

K0+221 40 1288.58 1.54 174.84 1.91 5.89 0.47 88.21 10.86

K0+240 39 1289.00 1.66 162.69 1.94 5.40 0.52 80.00 10.06

K0+260 38 1289.00 1.43 188.21 2.25 5.44 0.41 80.00 10.13

K0+280 37 1289.00 1.61 167.12 2.00 5.34 0.52 80.00 10.51

K0+300 36 1289.00 1.48 182.29 2.39 5.38 0.41 73.79 9.29

K0+310 35 1289.00 1.32 204.75 2.41 5.41 0.36 81.54 6.95

K0+320 34 1289.00 1.31 206.33 2.46 5.41 0.35 80.00 7.69





Cota Vel. Área R H Froude Ancho Esfuerzo

(msnm) (m/s) (m2) (m) (m) (m) (N/m2)

K0+340 33 1289.48 1.60 168.43 2.35 4.88 0.39 67.94 10.92

K0+340 32 1289.46 1.51 178.37 2.18 4.91 0.39 77.66 6.59

K0+360 31 1288.50 1.89 142.93 2.28 5.76 0.47 59.37 10.41

K0+362 30 1288.50 1.84 146.34 1.91 5.72 0.55 72.78 10.83

K0+670 29.5 1288.85 1.76 153.35 2.35 5.37 0.49 61.56 12.29

K0+380 29 1288.91 4.35 62.03 1.93 3.85 1.26 30.46 88.67

K0+390 28.5 1288.94 1.77 152.27 2.23 4.77 0.42 66.01 20.04

K0+400 28 1288.95 1.53 176.06 2.51 4.79 0.34 67.04 8.38

K0+420 27 1288.99 1.49 180.67 2.53 4.73 0.35 68.32 11.31

K0+434 26 1289.38 1.52 177.84 2.61 4.36 0.32 65.46 8.32

K0+440 25 1289.00 1.40 192.40 2.42 4.73 0.33 76.94 7.77

K0+460 24 1289.00 1.47 183.17 2.79 4.71 0.32 62.64 9.50

K0+480 23 1289.49 1.65 163.26 1.98 4.12 0.48 78.92 11.60

K0+486 22 1289.48 1.60 168.76 1.64 4.12 0.51 100.00 7.89

K0+500 21 1289.46 1.52 176.94 2.12 4.17 0.40 80.00 8.36

K0+520 20 1289.00 1.91 141.10 2.17 4.55 0.46 60.87 10.53

K0+540 19 1288.98 1.92 140.42 2.15 4.55 0.45 60.09 9.01

K0+542 18 1288.97 1.93 139.46 2.23 4.54 0.46 56.92 9.82

K0+560 17 1288.81 2.01 134.42 2.63 4.70 0.42 46.30 10.11

K0+578 16 1288.42 1.77 152.67 2.10 5.12 0.41 67.07 5.58

K0+580 15 1288.34 1.75 154.35 2.46 5.21 0.37 57.48 6.18

K0+600 14 1288.00 2.19 123.14 3.27 5.39 0.43 34.82 17.97

K0+603 13 1288.00 2.36 114.01 3.02 5.32 0.48 34.60 22.38

K0+620 12 1288.46 2.78 97.11 2.90 4.69 0.58 31.24 28.27

K0+640 11 1288.50 3.61 74.64 2.39 4.18 0.83 27.97 47.34

K0+643 10 1288.50 4.19 64.32 2.12 3.79 1.03 27.22 64.46

K0+660 9 1288.59 3.23 83.39 2.46 3.66 0.72 32.13 40.55

K0+680 8 1287.93 2.04 132.38 2.56 4.58 0.46 49.61 13.57

K0+691 7 1287.50 1.89 142.54 2.62 5.02 0.43 51.39 11.08

K0+700 6 1287.91 2.20 122.29 2.64 4.51 0.49 43.87 18.23

K0+720 5 1287.98 2.05 131.26 2.58 4.45 0.48 49.38 19.76

K0+724 4 1288.00 2.09 129.21 2.58 4.44 0.46 48.46 17.76

K0+740 3 1288.65 3.31 81.52 2.17 3.28 0.81 36.44 48.62

K0+760 2 1288.46 3.76 71.65 2.06 3.18 0.94 33.65 60.55




Tabla 6. Parámetros hidráulicos obtenidos para Q100 = 543.9 m3/s en condiciones naturales.


Cota Vel. Área R H Froude

Ancho Esfuerzo (msnm) (m/s) (m²) (m) (m) (m) (N/m²)

K0+020 52 1290.96 1.87 290.43 3.41 5.37 0.39 80.00 16.07

K0+040 51 1290.91 1.78 306.11 3.55 5.43 0.35 80.00 13.95

K0+060 50 1290.58 1.84 295.49 3.45 5.71 0.37 80.00 14.58

K0+080 49 1290.35 1.80 302.50 3.54 5.95 0.35 80.00 13.40

K0+100 48 1288.98 1.71 317.54 3.85 7.31 0.34 76.12 12.84

K0+120 47 1288.52 1.50 362.65 4.21 7.81 0.25 78.72 7.19

K0+140 46 1288.17 1.66 327.89 4.01 8.11 0.29 74.94 9.15

K0+149 45 1288.00 1.63 334.67 3.44 8.25 0.32 91.06 10.12

K0+160 44 1288.18 1.63 333.20 3.83 8.08 0.31 80.00 10.38

K0+180 43 1288.48 1.65 330.59 3.79 7.77 0.34 80.00 12.36

K0+200 42 1288.98 1.68 324.18 3.71 7.27 0.37 80.00 14.22

K0+220 41 1288.50 1.79 304.43 3.53 7.72 0.38 80.00 16.56

K0+221 40 1288.58 1.54 353.66 3.31 7.68 0.35 100.00 12.68

K0+240 39 1289.00 1.79 303.64 3.48 7.16 0.36 80.00 14.06

K0+260 38 1289.00 1.66 328.26 3.76 7.19 0.36 80.00 13.81

K0+280 37 1289.00 1.75 310.27 3.57 7.13 0.37 80.00 14.17

K0+300 36 1289.00 1.70 319.86 3.75 7.14 0.35 80.00 13.08

K0+310 35 1289.00 1.46 371.55 3.47 7.17 0.31 100.00 9.45

K0+320 34 1289.00 1.57 346.41 3.97 7.16 0.32 80.00 11.46

K0+340 33 1289.48 1.82 298.41 3.45 6.60 0.40 80.00 16.42

K0+340 32 1289.46 1.64 330.94 3.17 6.63 0.31 96.96 9.23

K0+360 31 1288.50 2.03 267.45 3.12 7.43 0.41 80.00 15.64

K0+362 30 1288.50 1.80 302.91 2.85 7.47 0.39 100.00 13.55

K0+670 29.5 1288.85 1.92 282.86 3.28 7.09 0.40 80.00 15.54

K0+380 29 1288.91 2.04 267.12 3.11 7.01 0.48 80.00 20.80

K0+390 28.5 1288.94 1.68 324.04 3.77 7.10 0.30 80.00 17.09

K0+400 28 1288.95 1.56 348.93 4.03 7.10 0.27 80.00 8.25

K0+420 27 1288.99 1.51 361.07 4.10 7.04 0.31 80.00 11.57

K0+434 26 1289.38 1.36 400.12 3.73 6.67 0.24 100.00 6.82

K0+440 25 1289.00 1.44 376.47 4.32 7.03 0.26 80.00 8.64

K0+460 24 1289.00 1.50 362.46 4.14 7.01 0.29 80.00 10.35

K0+480 23 1289.49 1.54 354.28 4.02 6.51 0.30 80.00 10.59

K0+486 22 1289.48 1.32 410.55 3.81 6.54 0.25 100.00 7.25

K0+500 21 1289.46 1.49 365.90 4.14 6.53 0.27 80.00 8.85





Cota Vel. Área R H Froude

Ancho Esfuerzo (msnm) (m/s) (m²) (m) (m) (m) (N/m²)

K0+520 20 1289.00 1.68 324.42 3.64 6.91 0.31 80.00 10.49

K0+540 19 1288.98 1.69 322.10 3.57 6.91 0.31 80.00 10.09

K0+542 18 1288.97 1.47 370.67 3.35 6.95 0.29 100.00 8.08

K0+560 17 1288.81 1.71 317.83 3.56 7.04 0.30 80.00 9.22

K0+578 16 1288.42 1.44 377.29 3.43 7.48 0.25 100.00 6.14

K0+580 15 1288.34 1.62 334.74 3.74 7.55 0.25 80.00 6.63

K0+600 14 1288.00 1.85 293.44 3.40 7.76 0.35 80.00 12.70

K0+603 13 1288.00 1.42 383.43 2.62 7.82 0.32 140.00 8.38

K0+620 12 1288.46 2.18 249.22 2.94 7.08 0.44 80.00 16.90

K0+640 11 1288.50 5.58 97.46 2.58 4.92 1.12 33.86 107.49

K0+643 10 1288.50 5.45 99.76 2.62 4.97 1.11 33.76 106.19

K0+660 9 1288.59 3.60 150.93 1.95 5.23 0.72 73.54 32.99

K0+670 8.5 1288.47 2.44 222.68 2.13 5.69 0.51 102.62 17.67

K0+680 8 1287.93 2.16 251.78 3.01 6.35 0.40 80.00 14.86

K0+691 7 1287.50 2.06 263.94 2.56 6.78 0.38 99.58 11.35

K0+694 6.5 1287.56 2.24 243.09 2.55 6.61 0.46 92.13 16.63

K0+700 6 1287.91 2.34 232.57 2.88 6.27 0.45 76.74 18.34

K0+720 5.5 1287.97 2.15 253.15 2.60 6.25 0.43 94.78 15.34

K0+720 5 1287.98 2.29 237.00 3.19 6.19 0.48 71.74 22.52

K0+724 4 1288.00 2.32 234.12 2.72 6.17 0.44 83.97 17.23

K0+740 3 1288.65 3.81 142.90 2.77 4.79 0.77 49.79 55.46

K0+748 2.5 1288.85 4.71 115.58 2.83 4.07 0.99 39.13 97.97

K0+760 2 1288.46 4.61 118.02 2.96 4.47 0.93 37.89 87.20

3.3. SOCAVACIÓN GENERAL

Para la estimación de la socavación general se empleó el método de Maza Álvarez (1989) descrito en el manual de drenaje del INVIAS (2009), el cual sigue la metodología establecida por Lischtvan – Lebediev donde las ecuaciones se basan en la velocidad mínima necesaria para erosionar el material de fondo. Las relaciones obtenidas Maza Álvarez (1989) están en función del diámetro característico d84 de la muestra del lecho; diámetro que permite considerar las condiciones de acorazamiento que se pueden presentar en el cauce, los rangos de aplicación dichas expresiones dependen del diámetro característico d84.

Para el caso del río Medellín en el tramo de estudio, se cuenta con un diámetro d84 de 0.1 m, se usó la expresión para suelos granulares en el rango 0.0028� ≤ � ≤ 0.182�.




� = � �� ⁄4.7��.��

��.� !�.��"��.� !

( 1 )

� Donde YS (m) es la profundidad del flujo después de ocurrida la socavación, medida desde el nivel del agua cuando pasa la creciente hasta el nivel del fondo del cauce erosionado. yo (m) es la profundidad inicial del agua en una línea vertical predeterminada de la sección medida. d84 (m) es el diámetro del lecho para el que el 84 por ciento del resto de la muestra es de menor tamaño. Qd (m3/s) es el caudal de diseño asociado a un periodo de retorno. β, es el coeficiente de frecuencia, el cual es función del periodo de retorno (Tr) comprendido entre 15 y 1500 años, para obtener su valor se emplea la expresión (2)

β = 0.7929 + 0.0973 Ln (T) ( 2 )

� α, es el coeficiente de sección, definido según la expresión (3), donde ym (m), es la profundidad media, A (m2) es el área hidráulica y Be (m) es el ancho efectivo de la superficie del agua en la sección transversal

α = $%&'(/*+,; �- = .

+, ( 3 )

En la Tabla 7 se relacionan los valores obtenidos para la profundidad de socavación en los periodos de retorno considerados y los valores de las variables que permitieron hacer la estimación.

Tabla 7. Profundidades máximas de socavación general estimadas para el tramo de estudio.

Tr Sección

Qd α β

YS yo HSocavación años m³/s m m m

1.5 K0+643 269.5 2.36 0.83 6.36 3.79 2.57

100 K0+640 543.9 2.76 1.24 6.40 7.39 2.47

4. OBRAS PROPUESTAS

La situación del sitio de interés es crítica por la vecindad de la vía Hatillo – Barbosa, vía de alto tráfico hacia el norte del departamento, a pesar de existir la reciente doble calzada Hatillo – Barbosa.

Las obras propuestas pretenden alejar la corriente de la banca adyacente a la vía que es una curva externa donde los caudales medio y bajos están presentes todo el tiempo propiciando la erosión de la banca, mientras que los caudales altos o de crecientes se




presenta con menos frecuencia y eligen una trayectoria bordeando la curva interna (opuesta a la vía), es por tanto necesario propiciar unas estructuras que trabajen preferentemente en aguas medias y bajas donde se requiere que el flujo se mantenga alejado de la vía. Estas estructuras se han denominado “direccionadoras” puesto que su función es direccionar la corriente hacia la banca interna durante las épocas de aguas medias y bajas.

Con esta idea se han ubicado cuatro estructuras direccionadoras según se indica en la Figura 11y plano CH1/1 (adjunto), donde se observa un alineamiento proyectado con líneas punteadas que obedece al ancho efectivo que requiere el flujo en época de aguas medias a bajas (caudal asociado al periodo de retorno de 1.5 años); sobre esta línea punteada se proyectó la “nariz” de las estructuras o extremo en contacto permanente con el flujo y el empotramiento se extendió hasta el nivel de la creciente de 2.33 años de período de retorno.

Figura 11. Localización estructuras proyectadas

Todas las estructuras deberán ser construidas en concreto ciclópeo de 31 MPa y tendrán una fundación de 2.5 m de profundidad conformada por bolsacretos. La longitud de las estructuras es variable de acuerdo con la curva proyectada y con la geometría del sector.

El plano CH1/1 “Estructuras de protección río Medellín - sector Chicharras” muestra detalles de estas estructuras y su ubicación en planta y perfil.




4.1. SIMULACIÓN DEL FLUJO EN CONDICIONES PROYECTADAS

La simulación hidráulica realizada para las condiciones proyectadas (con estructuras direccionadoras de flujo) permitió obtener los valores de las principales variables que controlan el diseño de las obras propuestas, considerando el caudal de diseño de 1.5 años de período de retorno (Q1.5). Se hizo la simulación para el caudal de 100 años de periodo de retorno (Q100 = 543.9 m³/s) con el fin de estimar las profundidades de socavación máximas y la mancha de inundación con el fin de asegurar que la presencia de las obras no inducirá desbordamientos del flujo, especialmente en la zona de la vía Hatillo – Barbosa.

En la Tabla 8 y Tabla 9 se presentan los parámetros hidráulicos obtenidos para los caudales de 1.5 y 100 años de período de retorno (Q1.5 = 269.5 m3/s y Q100 = 543.9m3/s) en la condición con obras. Se aprecia en dichas tablas un aumento leve, con respecto a la condición natural, en la velocidad del flujo en los sectores de garganta o knickpoints (resaltados en color verde). Los niveles de flujo aumentan ligeramente (14 cm en promedio) en el sector de las obras, lo cual era de esperarse, ya que las estructuras fueron diseñadas para que funcionen efectivamente en caudales medios a bajos sin restringir la capacidad natural de la sección.

Tabla 8. Parámetros hidráulicos asociados al Q1.5 = 269.5 m3/s, en condiciones proyectadas.


Cota Vel. Área R H Froude Ancho Esfuerzo (msnm) (m/s) (m2) (m) (m) (m) (N/m2)

K0+020 52 1290.96 1.77 152.31 1.91 3.64 0.52 77.79 13.68

K0+040 51 1290.91 1.59 169.07 2.04 3.71 0.44 80.00 10.89

K0+060 50 1290.58 1.72 156.46 1.91 3.98 0.50 79.95 11.46

K0+080 49 1290.35 1.63 164.90 2.05 4.23 0.45 77.88 10.02

K0+100 48 1288.98 1.42 190.26 2.47 5.60 0.38 72.87 8.19

K0+120 47 1288.52 1.16 231.39 2.85 6.11 0.27 75.99 3.70

K0+140 46 1288.17 1.28 209.88 2.99 6.43 0.29 65.07 5.16

K0+149 45 1288.00 1.34 201.73 2.69 6.56 0.35 70.58 6.63

K0+160 44 1288.18 1.37 196.18 2.34 6.36 0.39 80.00 6.04

K0+180 43 1288.48 1.41 191.52 2.29 6.04 0.41 80.00 8.22

K0+200 42 1288.98 1.47 183.86 2.19 5.52 0.43 80.00 10.54

K0+220 41 1288.50 1.65 163.12 2.11 5.96 0.47 74.55 13.10

K0+221 40 1288.58 1.54 174.84 1.91 5.89 0.47 88.21 10.86

K0+240 39 1289.00 1.66 162.69 1.94 5.40 0.52 80.00 10.06

K0+260 38 1289.00 1.43 188.21 2.25 5.44 0.41 80.00 10.13

K0+280 37 1289.00 1.61 167.12 2.00 5.34 0.52 80.00 10.51

K0+300 36 1289.00 1.48 182.29 2.39 5.38 0.41 73.79 9.29

K0+310 35 1289.00 1.32 204.75 2.41 5.41 0.36 81.54 6.95






K0+320 34 1289.00 1.31 206.33 2.46 5.41 0.35 80.00 7.69

K0+340 33 1289.48 1.60 168.43 2.35 4.88 0.39 67.94 10.92

K0+340 32 1289.46 1.51 178.37 2.18 4.91 0.39 77.66 6.59

K0+360 31 1288.50 1.89 142.93 2.28 5.76 0.47 59.37 10.41

K0+362 30 1288.50 1.84 146.34 1.91 5.72 0.55 72.78 10.83

K0+670 29.5 1288.85 1.76 153.35 2.35 5.37 0.49 61.56 12.29

K0+380 29 1288.91 4.35 62.03 1.93 3.85 1.26 30.46 88.67

K0+390 28.5 1288.94 1.77 152.27 2.23 4.77 0.42 66.01 20.04

K0+400 28 1288.95 1.53 176.06 2.51 4.79 0.34 67.04 8.38

K0+420 27 1288.99 1.49 180.67 2.53 4.73 0.35 68.32 11.31

K0+434 26 1289.38 1.52 177.84 2.61 4.36 0.32 65.46 8.32

K0+440 25 1289.00 1.40 192.40 2.42 4.73 0.33 76.94 7.77

K0+460 24 1289.00 1.47 183.17 2.79 4.71 0.32 62.64 9.50

K0+480 23 1289.49 1.65 163.26 1.98 4.12 0.48 78.92 11.60

K0+486 22 1289.48 1.60 168.76 1.64 4.12 0.51 100.00 7.89

K0+500 21 1289.46 1.52 176.94 2.12 4.17 0.40 80.00 8.36

K0+540 19 1288.98 1.92 140.42 2.15 4.55 0.45 60.09 9.01

K0+542 18 1288.97 1.93 139.46 2.23 4.54 0.46 56.92 9.82

K0+560 17 1288.81 2.01 134.42 2.63 4.70 0.42 46.30 10.11

K0+578 16 1288.42 1.77 152.67 2.10 5.12 0.41 67.07 5.58

K0+580 15 1288.34 1.75 154.35 2.46 5.21 0.37 57.48 6.18

K0+600 14 1288.00 2.19 123.14 3.27 5.39 0.43 34.82 17.97

K0+603 13 1288.00 2.36 114.01 3.02 5.32 0.48 34.60 22.38

K0+620 12 1288.46 2.78 97.11 2.90 4.69 0.58 31.24 28.27

K0+640 11 1288.50 3.61 74.64 2.39 4.18 0.83 27.97 47.34

K0+643 10 1288.50 4.19 64.32 2.12 3.79 1.03 27.22 64.46

K0+660 9 1288.59 3.25 83.01 2.46 3.65 0.73 32.11 40.93

K0+670 8.5 1288.34 2.43 110.98 2.32 4.06 0.60 45.90 12.76

K0+680 8 1287.93 2.04 132.12 2.56 4.57 0.46 49.56 13.62

K0+691 7 1287.50 1.89 142.27 2.62 5.01 0.43 51.37 11.11

K0+694 6.5 1287.56 2.17 124.21 2.54 4.8

7

0.50 46.13 6.54

K0+700 6 1287.91 2.21 122.19 2.64 4.51 0.49 43.85 18.26

K0+720 5.5 1287.99 2.18 123.41 2.39 4.45 0.49 49.69 13.95

K0+720 5 1287.98 2.06 130.79 2.58 4.44 0.49 49.33 19.91






K0+724 4 1288.00 2.09 128.75 2.57 4.43 0.47 48.42 17.89

K0+740 3 1288.65 3.35 80.51 2.15 3.25 0.82 36.34 49.90

K0+748 2.5 1288.84 3.66 73.63 2.08 3.00 0.85 34.15 37.15

K0+760 2 1288.46 3.76 71.65 2.06 3.18 0.94 33.65 60.55

Tabla 9. Parámetros hidráulicos asociados al Q100 = 543.9 m3/s en condiciones proyectadas.



K0+020 52 1290.96 1.87 290.48 3.41 5.37 0.39 80.00 16.07

K0+040 51 1290.91 1.78 306.15 3.56 5.43 0.35 80.00 13.95

K0+060 50 1290.58 1.84 295.53 3.45 5.72 0.37 80.00 14.58

K0+080 49 1290.35 1.80 302.53 3.54 5.95 0.35 80.00 13.40

K0+100 48 1288.98 1.71 317.57 3.85 7.31 0.34 76.12 12.84

K0+120 47 1288.52 1.50 362.67 4.21 7.81 0.25 78.72 7.19

K0+140 46 1288.17 1.66 327.91 4.01 8.11 0.29 74.95 9.15

K0+149 45 1288.00 1.62 334.70 3.44 8.25 0.32 91.07 10.12

K0+160 44 1288.18 1.63 333.24 3.83 8.08 0.31 80.00 10.37

K0+180 43 1288.48 1.64 330.63 3.80 7.77 0.34 80.00 12.36

K0+200 42 1288.98 1.68 324.21 3.71 7.27 0.37 80.00 14.22

K0+220 41 1288.50 1.79 304.45 3.53 7.73 0.38 80.00 16.55

K0+221 40 1288.58 1.54 353.69 3.31 7.68 0.35 100.00 12.68

K0+240 39 1289.00 1.79 303.66 3.48 7.16 0.36 80.00 14.05

K0+260 38 1289.00 1.66 328.28 3.76 7.19 0.36 80.00 13.81

K0+280 37 1289.00 1.75 310.28 3.57 7.13 0.37 80.00 14.17

K0+300 36 1289.00 1.70 319.88 3.75 7.14 0.35 80.00 13.08

K0+310 35 1289.00 1.46 371.56 3.47 7.17 0.31 100.00 9.45

K0+320 34 1289.00 1.57 346.42 3.97 7.16 0.32 80.00 11.46

K0+340 33 1289.48 1.82 298.43 3.45 6.60 0.40 80.00 16.42

K0+340 32 1289.46 1.64 330.96 3.17 6.64 0.31 96.96 9.23

K0+360 31 1288.50 2.03 267.47 3.12 7.43 0.41 80.00 15.64

K0+362 30 1288.50 1.80 302.93 2.85 7.47 0.39 100.00 13.55

K0+670 29.5 1288.85 1.92 282.86 3.28 7.09 0.40 80.00 15.54

K0+380 29 1288.91 2.04 267.12 3.11 7.01 0.48 80.00 20.80

K0+390 28.5 1288.94 1.68 324.04 3.77 7.10 0.30 80.00 17.09

K0+400 28 1288.95 1.56 348.93 4.03 7.10 0.27 80.00 8.25

K0+420 27 1288.99 1.51 361.07 4.10 7.04 0.31 80.00 11.57






K0+434 26 1289.38 1.36 400.12 3.73 6.67 0.24 100.00 6.82

K0+440 25 1289.00 1.44 376.47 4.32 7.03 0.26 80.00 8.64

K0+460 24 1289.00 1.50 362.46 4.14 7.01 0.29 80.00 10.35

K0+480 23 1289.49 1.54 354.28 4.02 6.51 0.30 80.00 10.59

K0+486 22 1289.48 1.32 410.55 3.81 6.54 0.25 100.00 7.25

K0+500 21 1289.46 1.49 365.90 4.14 6.53 0.27 80.00 8.85

K0+520 20 1289.00 1.68 324.42 3.64 6.91 0.31 80.00 10.49

K0+540 19 1288.98 1.69 322.10 3.57 6.91 0.31 80.00 10.09

K0+542 18 1288.97 1.47 370.67 3.35 6.95 0.29 100.00 8.08

K0+560 17 1288.81 1.71 317.83 3.56 7.04 0.30 80.00 9.22

K0+578 16 1288.42 1.44 377.29 3.43 7.48 0.25 100.00 6.14

K0+580 15 1288.34 1.62 334.74 3.74 7.55 0.25 80.00 6.63

K0+600 14 1288.00 1.85 293.44 3.40 7.76 0.35 80.00 12.70

K0+603 13 1288.00 1.42 383.43 2.62 7.82 0.32 140.00 8.38

K0+620 12 1288.46 2.18 249.22 2.94 7.08 0.44 80.00 16.90

K0+640 11 1288.50 5.58 97.46 2.58 4.92 1.12 33.86 107.49

K0+643 10 1288.50 5.45 99.76 2.62 4.97 1.11 33.76 106.19

K0+660 9 1288.59 3.79 143.58 2.46 5.18 0.74 55.06 43.67

K0+670 8.5 1288.34 2.22 244.45 1.99 5.98 0.37 119.98 8.50

K0+680 8 1287.93 2.18 249.64 2.98 6.32 0.40 80.00 15.06

K0+691 7 1287.50 2.08 261.31 2.55 6.75 0.39 98.76 11.55

K0+694 6.5 1287.56 2.25 241.63 2.46 6.69 0.39 93.44 11.31

K0+700 6 1287.91 2.36 230.32 2.85 6.24 0.46 76.71 18.62

K0+720 5.5 1287.99 2.34 232.89 2.30 6.21 0.38 97.63 10.07

K0+720 5 1287.98 2.32 234.62 3.16 6.16 0.48 71.70 22.94

K0+724 4 1288.00 2.35 231.35 2.71 6.13 0.45 83.28 17.63

K0+740 3 1288.65 3.91 139.22 2.78 4.72 0.79 48.31 59.24

K0+748 2.5 1288.84 4.06 133.95 2.55 4.54 0.65 49.94 35.80

K0+760 2 1288.46 4.61 118.02 2.96 4.47 0.93 37.89 87.20

El plano CH1/1 muestra la ubicación de las obras y un detalle de cada una de las estructuras direccionadoras de flujo. De dicho plano se ha extraído una sección transversal por el eje de cada una de las obras, las cuales se muestran en la Figura 12 a Figura 15. En dichas figuras se ha indicado el nivel de las crecientes Q100 = 543.9 m3/s (color azul fuerte) y Q1.5 = 269.5 m3/s (color azul cian). Se aprecia que no se presenta desbordamiento sobre la vía Hatillo – Barbosa en ninguno de los dos casos.




Figura 12. Sección 8.5 (K0+670, estructura direccionadora de flujo No.1

Figura 13 Sección 6.5 (K0+694), estructura direccionadora de flujo No.2.

Figura 14. Sección 5.5 (K0+720), estructura direccionadora de flujo No. 3.

Figura 15. Sección 2.5 (K0+748), estructura direccionadora de flujo No.4.




4.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN LAS ESTRUCTURAS

Para la estimación de la socavación local o por presencia de las estructuras se empleó la metodología de Maza Álvareaz y García Florez (1996), en la cual se menciona que la socavación más importante se presenta en la punta de las estructura que está dentro del agua. La expresión que permite cuantificar la socavación del lecho del río adyacente a la estructura fue obtenida por Maza con base en los datos y criterio inicial de Latuischenkov

�/ = 0.855�� 14.17 + 34 515 6 7(�.��9:�.�;) ( 2 )

Donde YS (m) es la profundidad del flujo después de ocurrida la socavación, medida desde el nivel del agua cuando pasa la creciente hasta el nivel del fondo del cauce erosionado; yo (m) es la profundidad inicial del agua en una línea vertical predeterminada de la sección; α (grados) es el ángulo entre el eje longitudinal de la estructura y la dirección del flujo, medido hacia aguas arriba; k (m) es el talud lateral de la estructura; Q1 (m3/s) es el caudal teórico que podría pasar por la zona ocupada por la estructura y Q (m3/s), es el caudal de diseño, el cual está asociado a un periodo de retorno entre 25 y 50 años.

En la Tabla 10 se relacionan los valores de las variables empleadas en el cálculo de la socavación local por efecto de las estructuras y los resultados obtenidos.

Tabla 10. Profundidades máximas de socavación local estimadas para el tramo de estudio.

Tr (años) Sección Qd (m3/s) k α YS (m) yo(m) HSocavación (m)

1.5 K0+660 269.54 2 75 7.37 3.66 3.71

2.33 K0+660 294.09 2 75 7.59 3.83 3.76

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los modelos existentes para estimar la socavación al pie de estructuras hidráulicas son modelos empíricos que no siempre reflejan la realidad local, el mismo Maza Álvareaz y García Florez (1996) recomienda estimar las profundidades de socavación para periodos de retorno inferiores al periodo de retorno de diseño, precisamente por la incertidumbre asociada a cada modelo. En este caso, se adoptó la profundidad de socavación local como criterio para diseñar la fundación de las obras proyectadas.

• Se recomienda cimentar las obras sobre unos pozos antisocavación excavados en el lecho del río y rellenos con bolsacretos de las dimensiones que se muestran en el plano CH1/1.




• Las obras deben ejecutarse en épocas de aguas bajas (estiaje) y con las ataguías necesarias para el correcto manejo de las infiltraciones.

• Las obras se concibieron para trabajar sumergidas y con el fin de retener sedimentos hasta recuperar una línea de orilla teórica. Se recomienda a la autoridad ambientan ejercer un control estricto a la extracción de material aluvial en la zona dado que las estructuras proyectadas propiciaran la sedimentación. la estabilidad de las obras propuestas puede verse comprometida si las tasas de extracción llegaran a superar las de sedimentación.

6. REFERENCIAS

Barbosa Gil, S. (2013). Metodología para calcular la profundidad de socavación general en ríos de montaña (lecho de gravas).

Chow, V. Te. (1994). Hidraulica de canales Abiertos. (Mac Graw Hill, Ed.).

INVIAS. (2009). Manual de Dreneje para Carreteras.

Maza Álvareaz, J. A., & García Florez, M. (1996). Estabilización y Rectificación de Ríos. In Manual de Ingeniería de Ríos (p. 90).

Maza Álvarez, J. A. (1989). Notas del Curso sobre Hidráulica Fluvial. Universidad del Cauca. Popayán, Colombia.

UNAL. (2005). Diseño y puesta en marcha de la Red de Monitoreo Ambiental de la Cuenca

hidrográfica del río Medellín en jurisdicción del Area Metropolitana - Fase I : Informes

finales. Medellín.

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