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ESTUDIO HIDROLÓGICO, HIDRÁULICO Y DE SOCAVACIÓN PARA CONTRAMEDIDAS EN DOS TRAMOS PROBLEMÁTICOS DEL RÍO

CORROGRES, SANTA ANA

Sitio de volcamiento del muro existente por socavación en la base. (Sitio 1 La Chispa)

Realizado por:

Para:

Municipalidad de Santa Ana

Marzo 2015

INGENIERIA CIVIL

HIDROLOGIA E HIDRAULICA

INGENIERÍA FLUVIAL

Estudio Hidrológico, Hidráulico y de Socavación para Contramedidas en Dos Tramos Problemáticos del Río Corrogres

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Contenido 1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 3

2 UBICACIÓN .......................................................................................................................................... 3

3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA CUENCA .......................................................................................... 5

3.1 Morfología, suelos y cobertura ................................................................................................... 5

3.2 Características Físicas ................................................................................................................ 12

4 CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA Y DE LA MECÁNICA FLUVIAL ..................................................... 14

4.1 Levantamiento Topográfico del Sitio 1 ...................................................................................... 14

4.2 Levantamiento Topográfico del Sitio 2 ...................................................................................... 15

4.3 Registro fotográfico de las condiciones actuales ...................................................................... 16

5 ESTIMACIÓN DE CAUDALES MÁXIMOS PARA 10 Y 20 AÑOS ............................................................. 21

5.1 Estimación del tiempo de Concentración .................................................................................. 21

6 MODELACIÓN HIDRÁULICA, ESTIMACIÓN DE NIVELES Y PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN MÁXIMOS

29

6.1 Modelo Bidimensional para el Sitio 1 ........................................................................................ 29

6.2 Modelo Bidimensional para el Sitio 2 ........................................................................................ 35

7 CONTRAMEDIDAS ............................................................................................................................. 39

7.1 Diseño de Obras de Protección en el Sitio 1 .............................................................................. 39

7.2 Recomendaciones para el Sitio 2 .............................................................................................. 41

8 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 42

9 RESUMEN DE RECOMENDACIONES .................................................................................................. 43

10 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................ 44

ANEXOS ..................................................................................................................................................... 45

Monograma para el cálculo de velocidades para Flujo Laminar concetrado ........................................ 45

Estudio de Suelos del Sitio 1, información previa de diseño ................................................................. 46

Memoria de Cálculo del Diseño de Muro de Gaviones ......................................................................... 46

Planos Constructivos ............................................................................................................................. 46


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1 INTRODUCCIÓN

A raíz de los daños generados por una crecida extraordinaria del río Corrogres, la

Municipalidad de Santa Ana solicitó el presente estudio con el fin de estudiar las condiciones de

falla y posterior arrastre de un muro de gaviones existente y en general evaluar el efecto de los

asentamientos humanos por los cuales las secciones naturales del río han sido reducidas

provocando que sean zona de alta vulnerabilidad de erosión e inundación y por ende, de alto

riesgo para la población.

Este documento presenta el diseño de las obras de protección en la margen derecha del río

Corrogres en el sector de Concepción (La Chispa) denominado para los efectos de este

informe como Sitio 1, así como un análisis del riesgo de inundación y de la mecánica fluvial en

otro tramo del mismo río en el sector de Aguas Lindas, cerca del local Ceviche del Rey (Sitio 2).

Para este propósito se presenta el análisis hidrológico de la cuenca tributaria a esos puntos así

como la mecánica fluvial (hidráulico, evolución morfológica y socavación) que permite anticipar

las condiciones hidráulicas y de socavación a las que estarían sujetas ya sean las obras de

protección en el primer caso, o el nivel de riesgo de viviendas y/o personas en el segundo caso.

Las modelaciones se hicieron para un periodo de retorno de 20 años, tanto para la condición

actual de la cuenca como para la proyección a 20 años del crecimiento urbano según la

evolución del uso del suelo de años anteriores.

2 UBICACIÓN

Los tramos de interés se ubican en Santa Ana, el Mapa 1 muestra la ubicación geográfica del

proyecto a nivel nacional. El Mapa 2 muestra la ubicación de los sitios de interés en el sistema

de coordenadas Lambert Norte. El sitio 1 se encuentra en las coordenadas 516260N y

214300E, y el sitio 2 en las coordenadas 516780N y 212760E.

Ambos tramos de interés son recorridos por el Río Corrogres, este río escurre en dirección

sureste a noroeste, recogiendo la escorrentía de lugares como Concepción, Santa Ana, Rafael,

Lajas, Corrogres.


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Mapa 1. Ubicación del tramo a nivel nacional. Imagen tomada de Google.

Mapa 2. Ubicación de los sitios 1 y 2 con respecto a poblaciones a cercanas. Hoja Cartográfica Abra 1:50 000


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3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA CUENCA

3.1 Morfología, suelos y cobertura

La sub cuenca correspondiente al sitio 1 (Concepción) tiene una elevación media de 990 msnm,

elevación máxima de 1408.19 msnm y elevación mínima 859 msnm. El área de la cuenca es de

4.86 Km². La longitud del cauce principal es de 3.76 Km con una pendiente promedio de 14%.

Para el sitio 2 (Ceviche del Rey) la estadística señala una elevación media de 1120 msnm,

elevación máxima de 1629.68 msnm y elevación mínima 907 msnm. El área de la cuenca es de

4.86 Km². La longitud del cauce principal es de 3.91 Km con una pendiente promedio de 18%.

Los gráficos 1,2 ,3 y 4, muestran el perfil del cauce principal y la curva hipsométrica de las sub

cuencas del Río Corrogres en los sitios 1 y 2 respectivamente.

Gráfico 1. Curva Hipsométrica de la Sub Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ele

vaci

ón

(m

snm

)

Área Acumulada (%)

Curva Hipsométrica de la Sub Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 1


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Gráfico 2. Perfil del cauce principal del Río Corrogres para el Sitio 1

Gráfico 3. Curva Hipsométrica de la Sub Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 2

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Alt

itu

d (

msn

m)

Longitud del cauce (m)

Perfil del Cauce Principal del Río Corrogres para el Sitio 1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ele

vaci

ón

(m

snm

)

Área Acumulada (%)

Curva Hipsométrica de la Sub Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 2


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Gráfico 4. Perfil del cauce principal del Río Corrogres para el Sitio 2

De acuerdo con el manual de Capacidad de Uso de la Tierra1 la zona del Río Corrogres posee

suelos del tipo Andic Humitropept Typic Ustorthent, corresponde a un relieve fuertemente

ondulado y moderadamente profundo, de textura media, colores pardo y oscuro, bien drenados,

de fertilidad baja.

Las Tablas 1 y 3 muestran la estadística de cobertura y uso de suelos para cada una de las sub

cuencas en estudio. La tabla 3 muestra una proyección de uso de suelo de la cuenca dentro de

10 y 20 años.

Dicha situación va a ser objeto de estudio para tomar en cuenta las variaciones que puede

tener el comportamiento de la cuenca respecto a cobertura y uso de suelo, y determinar la más

crítica para el diseño.

1 Ministerio de Agricultura y Ganadería. 1991. Manual Descriptivo de la leyenda del Mapa de Uso de de la Tierra.

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Alt

itu

d (

msn

m)

Longitud del cauce (m)

Perfil del Cauce Principal del Río Corrogres para el Sitio 2


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Tabla 1. Tipos de Cobertura y Uso de Suelo en la Cuenca Corrogres en el Sitio 1 (2013)

(Condición actual)

Uso de suelo para sitio 1 (2013)

Uso Área (km²) % Área CN Coeficiente Escorrentía

Zona Urbanizada 1.96 40.4% 74 0.92

Bosque 1.75 36.0% 36 0.41

Pastos, cultivos y arboles dispersos 1.15 23.6% 49 0.6

Total 4.86 100.0% 70.25 0.66

Pérdidas iniciales (mm) 21.5

Tabla 2 Tipo de Cobertura y Uso de Suelo en la Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 1

(Condición proyectada 2023 y 2034)

Uso de suelo para sitio 1 para los años 2023 y 2034

Uso Área (Ha)

% Área CN Coeficiente Escorrentía

Área (Ha)


2023 2034

Zona Urbanizada 269.08 26.68% 90 0.92 349.15 71.83% 90 0.92

Bosque 129.71 55.35% 45 0.41 79.77 16.41% 45 0.41

Pastos, cultivos y arboles dispersos

87.31 17.96% 75 0.6 57.19 11.76% 75 0.6

Total 486.1 100% 75.3 0.73 486.11 100% 80.85 0.80

Tabla 3. Tipos de cobertura y uso en la cuenca Corrogres en el sitio 2

(Condición actual)

Uso de suelo para sitio 2 (2013)

Uso Área (Ha) % Área CN Coeficiente Escorrentía

Zona Urbanizada 0.80 23.52% 90 0.92

Bosque 2.00 58.90% 45 0.41

Pastos, cultivos y arboles dispersos 0.60 17.58% 75 0.6

Total 3.39 100% 60.86 0.56

Pérdidas iniciales (mm) 32.7


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Tabla 4 Tipo de Cobertura y Uso de Suelo en la Cuenca del Río Corrogres en el Sitio 2

(Condición proyectada 2023 y 2034)

Uso de suelo para sitio 2 para los años 2023 y 2034

Uso Área (Ha)


Área (Ha)


2023 2034

Zona Urbanizada 93.78 27.67% 90 0.92 109.24 32.23% 90 0.92

Bosque 202.71 59.80% 45 0.41 206.07 60.79% 45 0.41

Pastos, cultivos y arboles dispersos

42.48 12.53% 75 0.6 23.65 6.98% 75 0.6

Total 338.97 100% 61.21 0.57 338.96 100% 61.60 0.59

Los mapas 3 y 4 muestran la distribución de uso de suelos de la zona de estudio para los años

1997 y 2013. Comparando las variaciones existentes en este periodo se extrapoló el

comportamiento para contemplar las variaciones de escorrentía que puede tener la zona dentro

de 20 años, y de ahí calcular los nuevos valores de escorrentía.


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Mapa 3. Delimitación del Uso de Suelo en las sub cuencas del Río Corrogres en los sitios 1 y 2, para el año 1997


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Mapa 4. Delimitación del Uso de Suelo en las sub cuencas del Río Corrogres en los sitios 1 y 2, para el año 2013


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3.2 Características Físicas

En la tabla 1 se presentan las principales características de las sub cuencas, área tributaria

hasta el punto de interés, perímetro, elevaciones extremas media, longitud del cauce principal y

otros factores que ayudan a la caracterización de la misma.

Tabla 5. Características físicas de la cuenca Corrogres en el sitio 1

CUENCA RIO CORROGES SITIO 1

VALOR

Área (Km²) 4.86

Perímetro (Km) 12.85

Zmin (msnm) 859.00

Zmed (msnm) 990.00

Zmax (msnm) 1408.19

Long cauce principal (Lc) (Km)

3.76

Indice de Compacidad (IG) 1.58

Factor de Forma (Kf) 0.34

Tabla 6. Características físicas de la cuenca Corrogres en el sitio 2

CUENCA RIO CORROGES SITIO 2

VALOR

Área (Km²) 3.39

Perímetro (Km) 8.17

Zmin (msnm) 907.00

Zmed (msnm) 1120.00

Zmax (msnm) 1430.95

Long cauce principal (Lc) (Km)

3.91

Indice de Compacidad (IG) 0.74

Factor de Forma (Kf) 0.05

El mapa 4 muestra el modelo de elevación de la cuenca del Río Corrogres hasta los sitios de

interés, delimitando las cuencas del Sitio 1 y Sitio 2.


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Mapa 5. Delimitación de las cuencas del Río Corrogres en los sitios 1 y2


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4 CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA Y DE LA MECÁNICA FLUVIAL

4.1 Levantamiento Topográfico del Sitio 1

Se proporcionaron datos del levantamiento topográfico en un tramo de unos 100 m a lo largo

del cauce, pasando por el punto de interés, en la zona de la Chispa. Se trabajó con curvas de

nivel, obteniéndose la forma del cauce, las variaciones longitudinales del ancho y pendiente del

cauce, variables determinantes para conocer el comportamiento hidráulico y el transporte de

sedimentos.

Figura 1. Levantamiento topográfico en el Río Corrogres para el sitio 1.


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4.2 Levantamiento Topográfico del Sitio 2

Para el tramo 2 se realizó el levantamiento topográfico en un tramo de unos 250m a lo largo del

cauce, partiendo del sitio crítico en este caso el puente que se encuentra frente a Ceviche del

Rey, en la imagen se puede ver la zona del puente en el extremo aguas arriba del

levantamiento, el punto más al norte de la figura.

Figura 2. Levantamiento topográfico en el Río Corrogres para el sitio 2.


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4.3 Registro fotográfico de las condiciones actuales

El siguiente registro fotográfico muestra las condiciones actuales de la margen derecha del

cauce en el sitio 1. Las imágenes muestran la condición de la margen un par días después de

que el muro existente hubiese sido arrastrado por una crecida en este sector (Ver Foto 1), así

como la condición un par de meses después donde los niveles del río permitían accesar al

cauce y valorar la condición existente de una forma más precisa.

Las fotografías de la 1 ala 5, muestran una pérdida importante de material en el relleno del

acceso a las viviendas circundantes. La forma del cauce después del derrumbe deja en

evidencia un par de puntos importantes a considerar en el nuevo diseño:

La línea del muro existente estaba invadiendo parte del cauce natural del río en un

sector inmediatamente después de una curvatura pronunciada, donde el agua

impactaba directamente con máximas velocidades ocurriendo en ese sector,

provocando la socavación en la parte inferior de la base del muro, lo que debilitó por

completo la estructura hasta colapsar.

El muro existente no contaba con las recomendaciones de diseño mínimas aplicables

para una estructura de este tipo, el relleno era de material de desperdicio incluyendo

pedazos de hormigón sin características uniformes y mal acomodado, la cimentación

era superficial, lo que facilitó el colapso por socavación de su base.

Las fotografías 6 y 7, muestran la vista hacia aguas arriba de la margen derecha, se

puede apreciar la zona de depositación de sedimentos. En la imagen 5, al fondo se

observa una zona de mayor profundidad al final de una curva, y la cambio de dirección

del cauce que va a impactar directamente donde se encontraba el muro que falló.


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Fotografía 1. Muro colapsado después de la crecida. Tomado el 10 de Setiembre del 2014

Fotografía 2. Vista hacia aguas abajo de margen derecha, en el punto de transición entre muro de gaviones existente y zona de derrumbamiento.


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Fotografía 3. Vista hacia aguas arriba de margen derecha. Tramo a proteger con futura estructura a construir.

Fotografía 4. Vista hacia aguas arriba de margen derecha. Extremo aguas arriba de tramo dañado a proteger con futura estructura a construir.


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Fotografía 5. Vista hacia aguas arriba, margen derecha. Zona a proteger

Fotografía 6. Vista hacia aguas arriba, margen izquierda. Muro masivo que provoca rebote.


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Fotografía 7. Zona de depósito de sedimentos en margen izquierda (Parte interna de la curva).

La fotografía 8, muestra una vista hacia agua arriba del sitio 2. En este caso se evidencia el

cauce con sedimentos de tamaño importante que son arrastrados por el río indicando un

gradiente importante en este sector específico, con relativa poca capacidad que tiene el mismo

de transportar grandes masas de agua (cauce angosto y poco profundo).

Fotografía 8. Vista hacia aguas arriba en el Sitio 2


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5 ESTIMACIÓN DE CAUDALES MÁXIMOS PARA 10 Y 20 AÑOS

5.1 Estimación del tiempo de Concentración

Para que el tiempo de concentración a estimar tenga significancia, se debe considerar las

condiciones topográficas, de textura y cobertura vegetal del suelo y de acuerdo a dichas

características se debe determinar los tiempos de viaje de cada uno de los modos de

transporte de la escorrentía. Dependiendo del modo de transporte y de las otras características

del terreno, se debe aplicar las ecuaciones que mejor representan cada proceso y de esta

forma tener un recuento realista de cada uno de los componentes que forman el tiempo de

concentración.2

Para estimar el tiempo de concentración (Tc) al punto de interés, es necesario tomar en cuenta

los tres modos de viaje (Vahrson et al., 1998) que ocurren desde la parte más lejana de la

cuenca: el primero es como flujo laminar no concentrado (FLNC) que ocurre en los primeros

100 m desde la divisoria de aguas, posteriormente el flujo se convierte en flujo laminar

concentrado (FLC) en los siguientes 500 m aproximadamente, hasta llegar a un sub-colector,

colector o incluso el cauce principal. A partir del sub-colector y subsiguientes, el flujo tiene el

carácter de flujo concentrado (FC) hasta el punto de interés (Oregon Department of

Transportation, Highway Divison., 2005).

El tiempo de viaje para FLNC está dado por la fórmula 3:

(1)

Tosf: Tiempo de concentración como FLNC. L: Longitud de viaje como FLNC (en pies). n: Coeficiente de Manning

2 Vahrson et al. (1998). Las Intensidades de Lluvias Extremas en las Diferenetes Zonas Climatológicas de Costa Rica. Primer Congreso Nacional de Desastres Naturales y Medicina de Desastres. San José. 3 Oregon Department of Transportation, Highway Division. (2005) Hydraulics Manual


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i: Intensidad de lluvia (pulg/h) S: Pendiente promedio (ft/ft)

Para el FLC y FC, el tiempo de viaje está dado por:

(2)

Tscf: Tiempo de concentración como FLC. L: Longitud de viaje como FLC (en pies). v: Velocidad del agua como FLC (ft/s) dado por el gráfico 1 del anexo A. La ecuación (2) también aplica para el FC.

Para el FC, la velocidad del flujo se puede calcular utilizando la fórmula de Manning, o las

fórmulas de Kirpich o California Culverts Practice pero considerando las características del

cauce principal solamente.

La ecuación de Manning clásica para canales trapezoidales abiertos:

(3)

Donde R es el radio hidráulico, S la pendiente media del canal, n el coeficiente de resistencia

de Manning, y V es la velocidad del agua.

El tiempo de concentración final es la suma del Tosf, Tscf y Tfc, siendo un proceso iterativo por

cuanto Tosf es dependiente de la intensidad de la lluvia.

Para el flujo laminar no concentrado, la distancia L se asume como 100 m (328 pies), “n” 0.4 y

“S1” tiene un valor de 40% y “S2” de 49%. Como una primera iteración, se asume la intensidad

máxima de la lluvia para un tiempo de concentración de 30 minutos y un periodo de retorno de

25 años (100 mm/h) (según curvas IDF genéricas de Villón4en San José.)

4Villón, M. (2004). Hidrología. Cartago: Editorial Tecnológica de Costa Rica.


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Para el flujo laminar concentrado, L se estima en 457m y 314m hasta llegar al cauce principal,

para los sitios 1 y 2 respectivamente, con pendientes promedio del 26% y 44% para cada sitio,

con estos valores y utilizando la figura 1 del anexo A, se obtiene para cobertura de pastos

densos (lo que predomina en la parte alta de la cuenca) y una velocidad de 1.38 ft/s (0.42 m/s)

y 1.70 ft/s (0.52 m/s)

Para estimar el tiempo de viaje como flujo concentrado en el cauce principal, se aplica la

fórmula de Kirpich, Manning y California Culvert.

Aplicando la fórmula de Manning se obtienen los siguientes resultados


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Tabla 7. Estimación de Tiempo de Concentración como Flujo Concentrado por el Método de Manning para el sitio 1

# L (m) "n" h(m) S (m/m) b (m) z (mv/mh)

T (m) P (m) A (m2) Rh (m) Q (m3/s)

V (m/s) T.V. (m)

T.V.Ac. (m)

1 259.2 0.038 2.81 0.013 9.4 0.25 10.8 15.2 28.4 1.9 126.0 4.4 1.0 1.0

2 245.2 0.039 2.64 0.027 8.8 0.25 10.1 14.2 24.9 1.8 151.9 6.1 0.7 1.6

3 250.7 0.039 2.46 0.029 8.2 0.25 9.4 13.3 21.6 1.6 130.3 6.0 0.7 2.3

4 245.2 0.040 2.28 0.012 7.6 0.25 8.7 12.3 18.6 1.5 66.2 3.6 1.2 3.5

5 253.2 0.040 2.10 0.039 7.0 0.25 8.0 11.3 15.8 1.4 96.6 6.1 0.7 4.2

6 247.1 0.041 1.92 0.021 6.4 0.25 7.4 10.4 13.2 1.3 54.8 4.1 1.0 5.2

7 252.1 0.041 1.74 0.040 5.8 0.25 6.7 9.4 10.9 1.2 57.9 5.3 0.8 6.0

8 251.5 0.042 1.56 0.038 5.2 0.25 6.0 8.4 8.7 1.0 41.6 4.8 0.9 6.8

9 496.9 0.043 1.20 0.063 4.0 0.25 4.6 6.5 5.2 0.8 26.3 5.1 1.6 8.5

10 252.9 0.043 1.02 0.107 3.4 1.25 6.0 6.7 4.8 0.7 28.9 6.1 0.7 9.2

17 249.9 0.044 0.84 0.114 2.8 0.25 3.2 4.5 2.5 0.6 13.3 5.3 0.8 10.0

18 244.0 0.044 0.67 0.162 2.2 0.25 2.6 3.6 1.6 0.4 8.4 5.3 0.8 10.7

19 255.3 0.045 0.48 0.151 1.6 0.25 1.8 2.6 0.8 0.3 3.4 4.1 1.0 11.8

20 253.9 0.045 0.30 0.211 1.0 0.25 1.2 1.6 0.3 0.2 1.1 3.5 1.2 13.0

L= longitud del tramo P= Perímetro mojado n= Número de Manning A= Área mojada h= Profundidad del cauce Rh= Radio hidráulico S= Pendiente del cauce Q= Caudal b= Ancho V= velocidad z= Pendiente del talud T.V.=Tiempo de viaje T= Espejo T.V.Ac. = Tiempo de viaje acumulado


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Tabla 8. Estimación de Tiempo de Concentración como Flujo Concentrado por el Método de Manning para el sitio 2

# (m) "n" (m) (m/m) b (m) z

(mv/mh) T (m) P (m) A (m²) Rh (m)

Q (m3/s)

V (m/s) T.V (m)

T.V.Ac. (m)

1 250.4 0.038 2.83 0.022 9.4 0.25 10.8 15.3 28.6 1.9 169.2 5.9 0.7 0.7

2 250.0 0.039 2.65 0.040 8.8 0.25 10.2 14.3 25.3 1.8 189.5 7.5 0.6 1.3

3 252.1 0.039 2.48 0.037 8.3 0.25 9.5 13.4 22.1 1.6 151.2 6.9 0.6 1.9

4 253.5 0.040 2.31 0.059 7.7 0.25 8.8 12.4 19.1 1.5 154.5 8.1 0.5 2.4

5 246.7 0.040 2.14 0.051 7.1 0.25 8.2 11.5 16.3 1.4 115.6 7.1 0.6 3.0

6 251.7 0.041 1.96 0.055 6.5 0.25 7.5 10.6 13.8 1.3 95.2 6.9 0.6 3.6

7 246.1 0.041 1.79 0.058 6.0 0.25 6.9 9.7 11.5 1.2 75.8 6.6 0.6 4.2

8 251.6 0.042 1.62 0.058 5.4 0.25 6.2 8.7 9.4 1.1 56.9 6.1 0.7 4.9

9 249.2 0.042 1.45 0.063 4.8 0.25 5.5 7.8 7.5 1.0 43.7 5.8 0.7 5.6

10 252.5 0.042 1.27 0.155 4.2 0.25 4.9 6.9 5.8 0.8 48.0 8.3 0.5 6.1

11 247.9 0.043 1.10 0.421 3.7 0.25 4.2 5.9 4.3 0.7 53.4 12.3 0.3 6.5

12 250.1 0.043 0.93 0.241 3.1 0.25 3.6 5.0 3.1 0.6 25.4 8.2 0.5 7.0

13 250.4 0.044 0.76 0.246 2.5 0.25 2.9 4.1 2.0 0.5 14.6 7.1 0.6 7.5

21 251.6 0.044 0.58 0.162 1.9 0.25 2.2 3.1 1.2 0.4 5.9 4.8 0.9 8.4

22 246.9 0.045 0.41 0.254 1.4 0.25 1.6 2.2 0.6 0.3 2.9 4.7 0.9 9.3

23 162.5 0.045 0.30 0.257 1.0 0.25 1.2 1.6 0.3 0.2 1.2 3.8 0.7 10.0

L= longitud del tramo P= Perímetro mojado T= Espejo n= Número de Manning A= Área mojada T.V.Ac. = Tiempo de viaje acumulado h= Profundidad del cauce Rh= Radio hidráulico T.V=Tiempo de viaje S= Pendiente del cauce Q= Caudal z= Pendiente del talud b= Ancho V= velocidad

Estudio Hidrológico, Hidráulico y de Socavación para Diseño Obras de Protección en el Río Corrogres

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Revisión: 1.0

Tabla 9. Tiempo de concentración en minutos para las dos subcuencas del Río Corrogres, comparación por diversos

métodos

Tiempo de Concentración en minutos

Sitio 1 Sitio 2

FLNC 13.20 14.03

FLC 18.10 10.10

FC 13.00 34.12

Tc Total 44.29 30.15

Tc Kirpich 36.32 35.79

Tc Calif. Culv 36.51 35.97

De las tablas anteriores, y comparando los distintos métodos de cálculo de tiempo de

concentración, se puede definir de manera conservadora que el tiempo de concentración para

el sitio 1 es de 44 minutos y para el sitio 2 es de 34 minutos.

Una vez determinados dichos parámetros, se requiere la intensidad para el cálculo de caudal.

Se aplicó un análisis de frecuencias a los datos de Precipitación Máxima Anual, en una hora,

dichos valores obtenidos de la Estación Cerros de Escazú del ICE.5

Tabla 10. Distribución de frecuencias para serie de precipitación máxima acumulada en 1 hora para la Estación

Cerros de Escazú

Precipitación Cerros de Escazú

Distribuciones para eventos máximos (mm/h)

Periodo de Retorno

Gama 2 parámetros

Gama 3 parámetros

Log Pearson Tipo III

Gumbel

1 21 18 16 20

2 37 37 38 36

5 46 46 47 45

10 51 51 50 51

25 55 56 53 59

50 60 61 55 65

100 63 65 56 71

500 70 72 58 84

5 Instituto Costarricense de Electricidad. (2013). Precipitación Máxima Acumulada en 1 hora, estación Cerro Escazú. Periodo

1991-2012.


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Revisión: 1.0

Tabla 11. Intensidades de precipitación mediante las curvas IDF San José, para los sitios 1 y 2

Sitio 1 Sitio 2

Periodo de Retorno

IDF San José (D= 44 min)

IDF San José (D=34 min)

1 54.08 61.71

2 60.83 68.96

5 69.75 78.54

10 76.50 85.79

20 83.25 93.04

50 92.17 102.62

100 98.92 109.87

Se decidió utilizar los datos arrojados por la curvas IDF, en lugar de los datos de intensidad de

la Estación Cerros de Escazú, para ser más conservadores y porque los datos reportados son

máximos anuales en una hora de duración, pero podrían estar dejando de lado eventos más

grandes.

Aplicando el método racional para el cálculo de caudales máximos, y con las intensidades

reportadas en la Tabla 6, se obtienen los siguientes resultados.

Tabla 12. Tabla de caudales mediante el método racional para el Sitio 1, para el año 2013

Periodo de retorno Intens. D=44

min, (mm/h)*

Factor de Corrección

Coeficiente De Escorrentía

Área Cuenca (km²)

Caudal Máx.

(m³/s) 2 60.83 1.00 0.66 4.86 54.2

5 69.75 1.00 0.66 4.86 62.1

10 76.50 1.00 0.66 4.86 68.2

20 83.25 1.06 0.70 4.86 78.6

50 92.17 1.18 0.78 4.86 96.5

100 98.92 1.21 0.80 4.86 106.9


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Revisión: 1.0

Tabla 13. Tabla de caudales proyectados mediante el método racional para el Sitio 1, para los años 2023 y 2034

2023 2034

Periodo de

retorno


Caudal Máx.

(m³/s)


Caudal Máx.

(m³/s)

2 0.73 59.9 0.80 65.7

5 0.73 68.8 0.80 75.3

10 0.73 75.4 0.80 82.6

20 0.77 87.0 0.85 95.3

50 0.86 106.2 0.94 117.0

100 0.88 118.31 0.97 129.6

Tabla 14. Tabla de caudales mediante el método racional para el Sitio 2, condición actual

Periodo de retorno (años)

Intens. D=34min, (mm/h)*

Factor de Corrección


Área Cuenca (km²)

Caudal Máx.

(m³/s)

2 68.96 1.00 0.56 3.39 36.4

5 78.54 1.00 0.56 3.39 41.4

10 85.79 1.00 0.56 3.39 45.2

20 93.04 1.06 0.59 3.39 52.0

50 102.62 1.18 0.66 3.39 63.6

100 109.87 1.21 0.68 3.39 70.3

Tabla 15. Tabla de caudales proyectados mediante el método racional para el Sitio 2, para los años 2023 y 2034

2023 2034

Periodo de

retorno


Caudal Máx.

(m³/s)


Caudal Máx.

(m³/s)

2 0.57 37.0 0.59 38.3

5 0.57 42.2 0.59 43.6

10 0.57 46.0 0.59 47.7

20 0.60 52.9 0.63 54.8

50 0.71 68.6 0.69 67.0

100 0.86 89.1 0.72 74.0


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Revisión: 1.0

Tabla 16. Porcentajes de variación de caudales pico respecto a la condición actual (2013)

Sitio 2023 Condición 2034 Condición

Sitio 1 10.6% Aumento 21.21% Aumento

Sitio 2 1.78% Aumento 5.35% Aumento

6 MODELACIÓN HIDRÁULICA, ESTIMACIÓN DE NIVELES Y PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN MÁXIMOS

6.1 Modelo Bidimensional para el Sitio 1

Los resultados pertenecen a la modelación obtenida del CCHE-2D del National Center for

Computational Hydroscience and Engineering de la Universidad de Missisippi, USA.

Se genera un modelo de elevación digital producto de las curvas de nivel obtenidas del

levantamiento topográfico. El modelo requiere ciertos parámetros definidos por el usuario para

realizar una modelación lo más realista posible. Se ingresan condiciones de entrada y salida

del tramo en estudio, al cual se le va a realizar el análisis. Se utilizan valores producto del

análisis de frecuencias aplicado a los datos de la Estación Cerros de Escazú, presentados en el

apartado anterior.

La superficie de estudio generada producto del levantamiento topográfico se muestra en la

siguiente figura.

Como resultado de la modelación bidimensional se espera obtener cuál es el tramo específico

que debe ser protegido contra la erosión. Los resultados permiten determinar cuáles son las

zonas del cauce que sufren erosión y cuáles depositación, como efecto del agua al tener

cambios de dirección importantes, como se muestra en la figura anterior.

También se evidencian las zonas de mayor velocidad, y las profundidades esperadas del agua

y del fondo del lecho.


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Revisión: 1.0

Debido a esos mismos cambios de dirección mencionados, se observan variaciones en la

profundidad del agua entre la margen derecha e izquierda, este factor deja en evidencia que la

cimentación de la obra de protección debe quedar con un nivel de desplante considerable para

evitar problemas futuros.

Figura 3. Modelo de elevación digital generado para el análisis bidimensional del Sitio 1 del Río Corrogres

Para determinar la condición más crítica, se realizó una modelación con el caudal proyectado

dentro de 20 años, y variando el D50 del cauce, según criterios técnicos, para determinar cuál

condición es la que genera valores más críticos y definir de ese modo el nivel de desplante de

la estructura a diseñar.

Se definieron puntos de análisis específico, en la zona donde debe ir colocada la nueva

estructura de protección. Se muestran en la figura siguiente.


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Revisión: 1.0

Figura 4. Puntos de análisis en zona a colocar estructura de protección

La Tabla 17 evidencia que la condición que genera mayor profundidad de socavación, es el

caso para un D50=3 cm, con un valor de 0.86 m. Dicha profundidad se da en el punto 5 de

estudio, definido en la Figura 4. Coincidentemente, el punto donde se genera la máxima

profundidad de socavación, es el punto donde se obtienen las mayores velocidades.

La Figura 5 muestra la distribución espacial del cambio de elevación del lecho. Además

muestra la ubicación de la sección transversal mostrada en el gráfico 5 indicando también

cuanto es la variación del lecho del río con respecto al nivel original. A la derecha se evidencia

la socavación en el pie de la ribera, y a la izquierda por el contrario se evidencia depositación.

Se busca que el nivel de desplante del muro a diseñar esté por debajo de la profundidad

máxima de socavación, para un periodo de retorno de 20 años.

9

8

7

6

5

4

3

2

1


Página: 32 de 46

Revisión: 1.0

Tabla 17. Profundidad de Máxima Socavación para los tres escenarios calculados, en los puntos definidos en la

figura 4.

Prof. Máxima Socavación (m)

Punto D50=3cm D50=5cm D50=10cm

1 0.14 0.12 0.05 m

2 0 0 0 m

3 0.35 0.26 0.12 m

4 0.78 0.7 0.45 m

5 0.86 0.78 0.51 m

6 0.14 0.11 0.01 m

7 0.08 0.04 0 m

8 0.17 0.02 0.01 m

9 0 0 0 m

Tabla 18. Profundidad de Máxima Socavación para los tres escenarios calculados, en los puntos definidos en la figura 3.

VELOCIDAD (m/s)

Punto D50=3cm D50=5cm D50=10cm

1 3.15 3.1 3.11

2 2.75 2.72 2.66

3 2.68 2.58 2.7

4 3.47 3.26 3.45

5 3.51 3.28 3.43

6 2.7 2.5 2.62

7 1.98 0.99 1.96

8 2.75 2.59 2.8

9 2.83 2.57 2.69

Riesgo de Inundación:

El gráfico 6 muestra los niveles máximos durante la crecida en la misma sección mostrada por la figura 5.

Bajo las condiciones proyectadas el cauce tiene suficiente capacidad en ese tramo como para absorber

las crecidas del río.


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Revisión: 1.0

Figura 5. Variación del lecho. Caudal proyectado a 20 años (2034), periodo de retorno de 20 años, D50=3cm, punto 5 según figura 4.


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Revisión: 1.0

Gráfico 5. Gráfico para máxima profundidad de socavación en el punto 5, referido a la figura 3.

Gráfico 6. Nivel máximo del agua en sección del punto 5, referido a la figura 4.


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Revisión: 1.0

6.2 Modelo Bidimensional para el Sitio 2

Se trabajó bajo el mismo principio del Sitio 1, y se modeló la superficie a partir del

levantamiento topográfico mostrado en la Sección 5.2 del presente informe, el modelo obtenido

se muestra en la Figura 6.

Al pertenecer este tramo a la transición entre pendiente de montaña y zona plana, el lecho está

sujeto a diferentes comportamientos según la capacidad de transporte de sedimentos del río, la

cual varía en función del calibre de estos y de la magnitud de las crecidas. Para materiales de

calibre bajo, los procesos erosivos se maximizan, pero el riesgo de inundaciones se reduce.

Para materiales de mayor calibre (tamaño) puede ocurrir sedimentación lo que puede conllevar

a reducción de sección hidráulica y a un aumento en el riesgo de inundaciones.

De manera que en este tramo se pretende identificar cuales procesos predominan que

significan riesgo ya sea por actividad erosiva o por desbordamiento. Se valorará

comparativamente variables como velocidades, niveles de agua, y patrones de evolución

morfológica según el calibre de los sedimentos.

El análisis hidráulico y de transporte de sedimentos se realizó para 3 calibres de partícula

representativa del lecho: 5cm, 10cm y 15 cm. Los resultados obtenidos se muestran a

continuación.

Cabe destacar que según el análisis hidráulico, el caudal de cauce lleno es cercano a los 25

m3/s, y es menor que el calculado para dos años de periodo de retorno. Esto evidencia que

este tramo del río no tiene capacidad para transportar caudales con periodos de retorno

moderados y por lo tanto pueden ocurrir desbordamientos con facilidad. El análisis se realizó

con el caudal máximo que puede transportar el cauce en la condición actual, para poder

determinar el comportamiento más crítico en términos morfológicos, pero de las valoraciones

preliminares, es evidente el alto riesgo a desbordamientos de este sitio.


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Revisión: 1.0

Figura 6. Modelo de elevación digital generado para el análisis bidimensional del Sitio 2 del Río Corrogres

5cm 10cm 15cm

Figura 7. Variaciones en la superficie del agua para análisis de arrastre de sedimentos. Sitio 2 del Río Corrogres


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Revisión: 1.0

5cm 10 cm 15cm

Figura 8. Variaciones en el nivel del lecho del cauce por transporte de sedimentos. Sitio 2 del Río Corrogres

5cm 10 cm 15cm

Figura 9. Distribución de velocidades en el cauce, para la condición de transporte de sedimentos.

Sitio 2 del Río Corrogres


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Revisión: 1.0

5cm 10 cm 15 cm Figura 10. Variación de los niveles del cauce para la condición de transporte de sedimentos, zonas de erosión y

sedimentación. Sitio 2 del Río Corrogres

Al comparar entre si los casos por variable mostrada en las figuras 8 a la 10, se verifica como

los procesos erosivos se incrementan para calibres bajos de sedimento (D50=0.05 m), y en el

otro extremo para un calibre alto (D50=0.15 m), los procesos de deposición aumentan a tal

grado que hay una disminución del área hidráulica y por ende hay un área de desbordamiento

mayor.

Loos niveles de desbordamiento podrían ser peligrosos para las personas y viviendas que se

hayan en la margen izquierda.

En lo relativo al proceso erosivo, este presenta un riesgo secundario debido a que la margen

presenta materiales cohesivos relativamente resistentes que reducen la velocidad de erosión

de la margen.


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Revisión: 1.0

7 CONTRAMEDIDAS

7.1 Diseño de Obras de Protección en el Sitio 1

Se realizó un estudio de suelos en el tramo de análisis para obtener una caracterización

apropiada de la zona donde se va a cimentar la nueva estructura.

Una vez obtenidos los parámetros y recomendaciones geotécnicas aplicables a este proyecto

(Ver Anexo 2) se procedió al diseño de la estructura aplicando la normativa vigente CCCR-

2009 (Asociación Costarricense de Geotecnia, 2009) 6, y bibliografía consultada (Camargo, J. &

Franco, V., 2001) 7 . El Anexo 3 contiene la memoria de cálculo respectiva para dicho diseño.

Se propone construir un muro de gaviones escalonado en la parte interna, tiene una inclinación

de 6° con respecto a la vertical, y una altura de 5m. Además se propone una pantalla de

protección de concreto para la base del muro, que es la zona más expuesta al choque de

cantos rodados producto del arrastre de la corriente.

Los detalles y recomendaciones constructivas se especifican en los planos adjuntos a este

informe.8

Figura 11. Distribución en planta del muro de gaviones a construir en el Sitio 1.

6 Asociación Costarricense de Geotecnia. (2009) Código de Cimentaciones de Costa Rica. Cartago. Editorial Tecnológica de Costa Rica 7 Camargo, J. & Franco, V. (2001). Manual de Gaviones. México: Instituto de Ingeniería de la UNAM.


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Revisión: 1.0

Figura 12. Distribución en planta del muro de gaviones a construir en el Sitio 1.


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Revisión: 1.0

7.2 Recomendaciones para el Sitio 2

En este sitio se propone realizar la construcción de un dique de arcilla compactado fuera del

cauce sobre la margen izquierda en la extensión mostrada en la figura 13. Las dimensiones

ideales del dique se muestran en la figura 14. Estas dimensiones como guía ya que no hay

mucho espacio y deberá llegarse a un consenso con las personas que viven en ese lugar.

Es importante la utilización de la arcilla, su adecuada compactación y conformación.

Figura 13. Ubicación de estructura de dique en el Sitio 2.


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Revisión: 1.0

Figura 14. Sección ideal del dique en el Sitio 2, según figura 13.

8 CONCLUSIONES

1. La falla en la estructura ubicada en al Sitio 1 pude deberse a una combinación de

factores entre los cuales figura la invasión en el cauce natural, la mala construcción de

la obra anterior, cimentaciones poco profundas y socavación en la parte interna del pie

de la estructura

2. El caudal pico de diseño en el sitio 1 calculado para la condición proyectada a 20 años

(2034) para un periodo de retorno de 20 años, es 86.9% mayor al obtenido para la

condición actual.

3. Los valores de máxima socavación y velocidad en el sitio 1, se utilizaron de parámetro

para definir la altura del muro, así como el nivel de desplante de la futura estructura.

4. Aunque en los alrededores hay muros de tamaño y peso considerables, la presencia de

conglomerados en la margen derecha expuestos en el sitio 1 evidencia la capacidad del

terreno de soportar estructuras de este tipo siempre y cuando se respete el

alineamiento natural del cauce, y perturbando lo menos posible a la hora de realizar las

excavaciones requeridas para la cimentación.


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Revisión: 1.0

5. La presencia de espesores de suelo blandos por debajo del nivel que se pudo

muestrear deberá ser valorado durante la fase constructiva y tomar las acciones

correctivas necesarias.

6. Es indispensable que se recomiende los niveles de fundación aquí recomendados para

el caso del sitio 1.

7. En el sitio 2 se pudo verificar la alta vulnerabilidad a las inundaciones que hay en la

margen derecha. Además desde el punto de vista de la mecánica fluvial se hace

evidente que un aumento en el calibre de los sedimentos puede provocar un aumento

en el nivel de inundaciones, y dado que ese sitio está en la transición de la montaña a

terrenos más llanos, es una zona que tiene a depositar.

9 RESUMEN DE RECOMENDACIONES

1. En el sitio 1 se recomienda verificar la capacidad soportante del terreno a la hora de

construir para garantizar el cumplimiento de las condiciones de diseño.

2. Se recomienda realizar los trabajos en la época seca, para facilitar y agilizar el proceso

constructivo mientras los niveles del agua mantienen una condición más favorable y

constante.

3. Se recomienda cumplir con las especificaciones constructivas definidas en los planos

adjuntos para garantizar la integridad de la estructura.

4. En el sitio 2 se recomienda en lo posible construir un dique con las características

indicadas en el documento que permitirá dar un nivel de protección razonable ante la

ocurrencia de eventos súbitos de alta intensidad, de manera que aunque el cauce

pierda capacidad por sedimentación, el dique ayude a mantener el agua confinada.


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Revisión: 1.0

10 BIBLIOGRAFÍA

Asociación Costarricense de Geotecnia. (2009). Código de Cimentsciones de Costa Rica. Cartago: Editorial

Tecnológica de Costa Rica.

Camargo, J. & Franco, V. (2001). Manual de Gaviones. México: Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Chow, V.T.; Maidment, D.R. & Mays, L.W. (1994). Hidrología Aplicada. Bogotá: Mc Graw Hill.

Instituto Costarricense de Electricidad. (2013). Precipitación Máxima Acumulada en 1 hora, estación

Cerro Escazú. Periodo 1991-2012.

Ministerio de Agricultura y Ganadería. (1991). Manual Descriptivo de la leyenda del Mapa de Capacidad

de Uso de la Tierra de Costa Rica. Recuperado el Julio de 2014, de Biblioteca Virtual:

http://www.mag.go.cr/bibliotecavirtual/manual-descriptivo-uso-tierra.pdf

Oregon Department of Transportation, H. D. ( 2005). Hydraulics Manual.

Oregon Department of Transportation, Highway Divison. (2005). Hydraulics Manual. Oregon.

Vahrson et al. (1998). Las Intensidades de Lluvias Extremas en las Diferenetes Zonas Climatológicas de

Costa Rica. Primer Congreso Nacional de Desastres Naturales y Medicina de Desastres. San José.

Villón, M. (2004). Hidrología. Cartago: Editorial Tecnológica de Costa Rica.


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Revisión: 1.0

ANEXOS

Monograma para el cálculo de velocidades para Flujo Laminar

concetrado


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Revisión: 1.0

Estudio de Suelos del Sitio 1, información previa de diseño

Memoria de Cálculo del Diseño de Muro de Gaviones

Planos Constructivos

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