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UERRERO , M ÉXICO ÉXICO , N OVIEMBRE OVIEMBRE 2012 ACAPULCO , G UERRERO
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PROTECCIÓN DEL LECHO DE UN RÍO EN OBRA DE CAPTACIÓN CAO DE APLICACIÓN! BOCATO"A HUACHIPA 'astro @nga, Luis Aernando?, 1 -ontenegro Bambini, 0ulio @saac?, 1 *?+*1+ Posgrado, Aacultad de @ngeniería 'ivil, Cniversidad &acional de @ngeniería *?+*1+ Drea de @ngeniería. Laboratorio &acional de $idráulica. 6v. E/pac 6maru 1?2. Lima 1<. Per/. Eelonos:
*+ *?+ F=?G?HH? > F=?G?H12 lcastroIuni.edu.pe, !montenegrogIuni.pe
Introducción Los ríos han producido grandes daños en la humanidad, pero esto se debe a que no se respeta sus llanuras, cauces; Se construye una serie de obras hidráulicas como: Puentes, bocatomas, etc. La bocatoma que se investigara tiene una problemática muy especial pues es una bocatoma diseñada con un lu!o supercrítico producto de la uerte pendiente que tiene, La construcci"n de obras de toma representa una alteraci"n de las condiciones normales de escurrimiento, y por lo tanto deben esperarse cambios luviomorol"gicos importantes como erosi"n y sedimentaci"n. La #ocatoma $uachipa que constituye la obra de cabecera de un proyecto de abastecimiento de agua para la %ona &orte de Lima. 'uando se emplea una bocatoma del tipo barra!e mi(to, gran parte del caudal pasa por el barra!e m"vil durante los l os eventos e(tremos. )sto conlleva a una concentraci"n de lu!os *mayores a los lu!os que ocurren en orma natural+ aguas aba!o del barra!e m"vil.
plantean soluciones con modelos idealiados, lo que permite simpliicaciones importantes, que a su ve causan eectos que deben ser valorados mediante mediante ensayos ensayos e(perimentales. )l empleo simultáneo de ambas tcnicas de investigaci"n permite obtener me!ores resultados ya que el modelo matemático matemático toma los resultados del modelo ísico y viceversa, de modo que esta interacci"n nos lleva a acercarnos acercarnos al comportamiento comportamiento real del en"meno analiado.
Figura 2. Panorama de encañonamiento en el lecho aguas abajo de la poza disipadora en el prototipo
Objetivos
Figura 1. Bocatoma Huachipa emplazada en el Río Rímac
Si el lecho del río está constituido por material erosionable como: arenas, limos, gravas etc. que en condiciones naturales resiste el paso del lu!o disperso sobre todo el lecho, es de suponer que al concentrarse el lu!o sobre una margen, se producirán desequilibrios desequilib rios que llevaran a la l a incisi"n del cauce. Las medidas como las distancias, velocidades, tirantes, etc. se escribirán primero en las medidas del modelo y al costado entre parntesis se incluirán las medidas que representan en el prototipo. -uchos de los en"menos que ocurren en la naturalea y sobre todo dentro del campo de la hidráulica, son tan comple!os que no es suiciente tratarlos /nicamente con mtodos matemáticos, por lo que es conveniente recurrir al empleo de tcnicas e(perimentales. Los modelos matemáticos
)l ob!etivo esencial que se tiene es proteger la bocatoma secci"n aguas aba!o rente a la erosi"n con estructuras de enrocado dispuestas transversal y longitudinalmente en el cauce. . 0imne y #ateman *1223+ señalan que las traviesas 4son estructuras que se colocan enterradas en el lecho del curso luvial dispuestas perpendicularmente a la direcci"n del lu!o, de orilla a orilla y con cota de coronaci"n apenas superior a la cota del ondo del río. Suelen traba!ar en con!unto y su ob!etivo es ralentiar el descenso de cota del lecho debida a la erosi"n general5 . 6demás es discutible la necesidad de colocar una cama de enrocado de transici"n aguas aba!o de la poa disipadora del barra!e m"vil para dispersar el lu!o por todo el ancho del lecho, evitando su incisi"n. )n este traba!o se describirá los ensayos realiados para la l a protecci"n p rotecci"n del lecho mediante en varias secciones del río. La #ocatoma $uachipa se encuentra emplaada sobre el río 7ímac, que es un río de uerte pendiente con un rgimen supercrítico, siendo esta pendiente de 8.189 en el tramo 'hosica cano Paciico. )l caudal de diseño es de <=2 m 8>s correspondiente a un periodo de retorno de ?222 años determinado mediante mtodos probabilísticos a partir de caudales má(imos instantáneos.
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As#ectos teóricos )s importante deinir claramente que 4erosi"n5 signiica la prdida o remoci"n de material del lecho producida por una alteraci"n de las condiciones de equilibrio del río, seg/n Jide *1222+ señala que la erosi"n en un cauce es el descenso del ondo *o el retroceso de las orillas+ como consecuencias de en"menos de dinámica luvial naturales o realiados por el hombre. 'abe distinguir la erosi"n general de la erosi"n local, esta primera puede e(plicarse por la acci"n de un lu!o de agua caracteriado simplemente por una velocidad media. 6ecta a tramos largos del cauce y sería la /nica o primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad. La erosi"n local del ondo se e(plica por la acci"n de un lu!o comple!o, que en una secci"n de la corriente *vertical, horiontal+ requerirá una descripci"n bidimensional de las velocidades, se presenta asociada a singularidades como obstáculos. Por otra parte, 4equilibrio5 implica que el peril del lecho es estable, la cantidad de partículas erosionadas es igual a la cantidad de partículas sedimentadas y las cotas de ondo permanecen invariables. )l concepto de equilibrio se encuentra e(presado en la relaci"n de Lane *?H<<+ propuso tener en cuenta F variables: el caudal liquido, el caudal s"lido, la pendiente *i+ y el tamaño de sedimento *K+ y las dispuso en la analogía de una balana:
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Los puntos i!os condicionarían el descenso, quedando poco a poco como puntos más sobresalientes, mientras aguas aba!o aparecerá un salto. )ste descenso o erosi"n general aguas aba!o es una amenaa directa a la traviesa y tambin es una amenaa indirecta porque el mayor desnivel del salto de agua agravará la erosi"n local. )n deinitiva, la traviesa limita la e(tensi"n de la erosi"n a largo plao, más que impedirla, pero tambin se ve amenaada por ella. La pendiente entre tramos limitados por traviesas parece ser directamente proporcional a la distancia entre traviesas. )sta propiedad resta eicacia a poner las traviesas muy !untas pues de todos modos el salto será mayor del esperado. La variable de más inluencia en reducir la erosi"n sería la distancia entre traviesas. )sto es tambin e(actamente así en las erosiones discutidas anteriormente, pero teniendo en cuenta el eecto adverso indicado, de modo que el espaciamiento de una serie de traviesas se convierte en el parámetro ingenieril más importante *seg/n la igura 8+, en la unci"n y tambin en el costo.
Figura $. !a pendiente del cauce es trans+ormada al intercalar las tra'iesas
Figura 3. nalogía de la balanza de !ane "1#$
%$Podemos aceptar que una batería de traviesas, siempre que resista, es un lugar no erosionable en el río. 'uando decimos que una traviesa protege, implícitamente admitimos que el lecho contiguo a la traviesa se mantiene a cota i!a, a la misma de la traviesa. 6sí deducimos que la traviesa impide la erosi"n *ver igura 1+. 6hora bien, esto s"lo es raonable aguas arriba de la traviesa. 6guas aba!o, muy al contrario, se desarrollará un eecto inducido por la obra llamado erosi"n local. Pero, además, la traviesa impide aguas arriba s"lo la erosi"n a largo plao y la de las aguas ba!as. 6 largo plao, el peril longitudinal de un río con tendencia a la erosi"n sería simplemente más ba!o.
Figura &. Papel desempeñado por las tra'iesas en un proceso de erosi(n lenta) *ue lle'aría el +ondo a la línea discontinua.
)l cauce de aguas ba!as puede ser guiado al centro del cauce mayor si cada traviesa es un poco más ba!a en el centro, con esto el cauce de aguas ba!as no alcanara a los encauamientos y no habrá erosi"n lateral. )n conclusi"n, )l papel de una traviesa en situaci"n de avenida no es claro: la traviesa como punto i!o podría ser simplemente una reprensi"n al descenso de ondo sobre todo si imaginamos un grupo *batería+ de traviesas. 'uando la traviesa sobresale del cauce no debe conundirse con una presa de retenci"n de s"lidos o dique torrencial, ya que el volumen de s"lidos contenido por la traviesa es insigniicante. Para las otras unciones conviene que no sobresalga del cauce, o incluso que est enterrada, de modo que limite la erosi"n suicientemente pero al tiempo permita un cierto descenso transitorio del ondo. Los umbrales de ondo o barrera sumergidas en ríos grandes se usan contra la erosi"n del lecho y tambin para modiicar o regulariar la posici"n de los ondos. -artín Jide y Kel 6gua *?HHF+ ha desarrollado estudios sobre erosi"n local en traviesas para la protecci"n de cauces a partir de stos, #ateman *?HH<+ anali" la inluencia del talud de aguas aba!o de la traviesa y de la proundidad de coronaci"n de sta en la erosi"n local. )stos autores realiaron numerosos ensayos en aguas limpia sin sedimentos y han concluido en que el actor más importante para la erosi"n es el rgimen hidráulico mientras que la geometría de la estructura apenas inluye. Eambin observaron que para el resalto anegado se obtiene mayor erosi"n *hasta F veces el salto provocado con la traviesa en el momento de su colocaci"n+ y un oso menos alargado en contraposici"n a lo que ocurre cuando el resalto es ondulado. 6 su ve, #ateman *?HHH+ estudi" la distancia y el desnivel entre traviesas consecutivas.
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)n estos e(perimentos se comprob" que tanto la evoluci"n temporal del en"meno como la erosi"n del oso aguas aba!o de la estructura dependen del rgimen hidráulico y que a su ve ste está condicionado por la propia estructura y sobre todo por la altura relativa entre la base de la t raviesa y la cresta de la duna generada inmediatamente aguas aba!o del oso. tras conclusiones importantes que se e(tra!eron de este estudio es que la erosi"n má(ima del oso depende de la pendiente entre traviesas y que e(iste relaci"n entre el oso de erosi"n y el peril de equilibrio aguas aba!o.
Prob$e%&tic' )n el ensayo con lecho m"vil se observ" que el cauce en la margen derecha empe" a erosionar. Producto de las altas concentraciones de velocidad lo cual intensiicaban los esueros cortantes y estos a la ve arrastraban las partículas del ondo. La protecci"n de estructuras construidas en cauces, como las bocatomas no son descritas en su totalidad, pues requieren de investigaci"n detallada. Cn mtodo sería observando los en"menos morol"gicos en un modelo ísico, analiando lo que podría pasar y su similitud en la realidad. Las diversas maneras de proteger el lecho de un río es: usando vegetaci"n; traviesas de escollera, enrocado en el ondo del cauce, etc.
Figura ,. -escenso presentado en el odelo Físico / lecho sin protecci(n
)sto se observa desde las pruebas con los caudales más ba!os, es decir a partir de ?.H= L>s *12 m8>s+. Posteriormente, cuando el caudal aumenta por encima de ?1.=< L>s *?82 m8>s+, se produce rebose del barra!e i!o y el agua empiea a luir sobre la margen iquierda. Kebido a que el ondo del río ha descendido en la margen iquierda, entonces el caudal ti ende a concentrarse sobre el canal proundiado, aumentando a/n más el caudal unitario y producindose un descenso acelerado. $asta la prueba de 1H.3< L>s *822 m8>s+ sin incorporar sedimentos, el cauce desciende apro(imadamente 8.1< cm *?.8 m+.
Figura 0. Formaci(n del canal piloto en la margen derecha aguas abajo en el modelo +ísico.
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6 partir de la prueba de F3.F< l>s *F2 m8>s+ se presentaron velocidades mayores a 2.38 m>s *F m>s+ además el lecho desciende hasta tocar ondo además la socavaci"n para la prueba de F2 m8>s, calculada con valores medios diarios, se encuentra en el orden de ?2 cm *F m+. -ayores caudales provocarían un descenso a/n mayor. )l canal piloto llego a tener un ancho medio de ?<2 cm *32 m+ y la erosi"n má(ima ue de 2.?1 m *<.?2 m+, ormándose induce a la concentraci"n de esueros cortantes en parte de la secci"n transversal, lo que se e(tiende en direcci"n aguas aba!o y tambin podría e(tenderse en direcci"n aguas arriba lo que puede dañar la bocatoma. )n la Aigura ?, se puede apreciar que para el paso del caudal má(imo registrado hasta el momento desde cuando empe" a uncionar la bocatoma ue de ??1 m8>s parte del enrocado o ripGrap ubicado aguas aba!o de la poa disipadora ue desplaado con acilidad. 6demás se observ" erosi"n prounda en la margen derecha debida a las altas velocidades y presiones luctuantes que se generan en lu!os macroturbulentos aguas aba!o de disipadores o resaltos hidráulicos.
Figura . caudales ms +recuentes a se ha +ormando el canal piloto en el prototipo del cauce aguas abajo de la bocatoma Huachipa
Lopardo *122<+ señala que es necesario tomar en consideraci"n los parámetros del lu!o luctuante para una adecuada deinici"n de los enrocados estables de protecci"n en onas uertemente solicitadas por acciones luctuantes aguas deba!o de disipadores de energía. )s por este motivo que se sigui" su metodología para colocar un enrocado de transici"n aguas aba!o de la poa disipadora de energía del barra!e m"vil. Para los ensayos del lecho m"vil con y sin incorporaci"n de sedimentos, aguas aba!o de la bocatoma se present" una incisi"n en la margen derecha, tal como lo muestra la Aigura , ormándose una incisi"n prounda del cauce, al que llamaremos encañonamiento. La erosi"n puede producirse de modo natural, con la corriente como agente geol"gico de erosi"n, o es posible que la cause el hombre, como sucede cuando se encaua la corriente, que trae como consecuencia un aumento del caudal unitario, aumento de los esueros cortantes o la reducci"n del aporte de sedimentos en un tramo, como ocurre aguas aba!o de una bocatoma. )l lecho puede descender considerablemente por la erosi"n.
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"ode$o "'te%&tico Para revalorar los procesos de erosi"n y sedimentaci"n del lecho del río 7ímac, en el tramo donde se emplaará la obra de la bocatoma se aplic" el modelo ''$)1K basado en el equilibrio de transporte de carga de lecho de materiales uniormes, que integra numricamente las ecuaciones del lu!o no permanente y del transporte de sedimentos en orma no acoplada, utiliando relaciones constitutivas turbulentas y aplicando una variante del mtodo de elementos initos. )l modelo resuelve las ecuaciones hidrodinámicas noG permanentes y bidimensionales del lu!o de agua en el cauce del río, utiliando relaciones constitutivas turbulentas y aplicando una variante del mtodo de elementos initos, la cual es el mtodo de elementos eicientes. )n base al campo de velocidades determinado en el dominio computacional, integra en la proundidad del lu!o la ecuaci"n de convecci"nGdiusi"n para el transporte de sedimentos en suspensi"n, y la ecuaci"n de continuidad para los sedimentos de arrastre de ondo. Cna descripci"n detallada del modelo se presenta en los traba!os de Kuan y Mang *1221+ y %hang *122<+.
Figura #. alla generada en 44H52-/56H para el anlisis hidr(dinmico
La inormaci"n hidrol"gica y sedimentol"gica básica para el modelamiento, se obtuvieron de inormes tcnicos para el proyecto de la #ocatoma $uachipa. Se utili" el hidrograma de caudales medios mensuales correspondientes a los meses de Kiciembre a 6bril del periodo de años ?H=G122 para el análisis en lu!o no permanente y los caudales hist"ricos calculados estadísticamente para el análisis durante avenidas e(traordinarias. )l lecho del río 7ímac se caracteria por el predominio de materiales gruesos con granulometría e(tendida que varían desde arenas, gravas, piedras, cantos rodados y bolonería. Las simulaciones de la evoluci"n temporal del lecho del cauce se realiaron para escenarios sin proyecto y con proyecto. Los resultados de las simulaciones sin proyecto, muestran un incremento en el tiempo de la variaci"n del lecho, concentraci"n de velocidades, esueros cortantes y predominio del proceso de erosi"n en onas localiadas del lecho aguas aba!o del e!e de la presa *Aigura ?2+. )n las simulaciones del escenario con proyecto, la presencia de la presa derivadora dentro del lecho altera sustancialmente el campo de velocidades y el proceso de la evoluci"n temporal y natural de la coniguraci"n del lecho del río. 6guas arriba de la presa derivadora, se produce el proceso de sedimentaci"n, que transorma lecho, reduciendo su secci"n hidráulica. )n aguas aba!o, se toman los resultados de las erosiones presentes.
Figura17. 4oncentraci(n del campo de 'elocidades en la margen derecha de la Bocatoma Huachipa "Hidrograma de 27 años%
Los resultados de las simulaciones en el escenario con la bocatoma nos muestran que el diseño del aliviadero de compuertas tendría un uncionamiento hidráulico apropiado con capacidad para la evacuaci"n de los sedimentos de ondo )n la salida de los canales del aliviadero e inicio de la rápida de ingreso a la poa disipadora, las velocidades del lu!o alcanan velocidades altas *de = m>s a H.< m>s+. )n la poa disipadora se reducen las velocidades por la ormaci"n del resalto hidráulico ahogado *por deba!o de ?.< m>s+, aumentando las velocidades despus de la salida de la poa disipadora *de 1 m>s a < m>s+ La evoluci"n temporal de la variabilidad del peril longitudinal del lecho con proyecto *<, ?2, ?< y 12 años+ presenta onas localiadas de erosi"n creciente con el tiempo que alcanaría hasta una proundidad de ? m en 12 años. Si comparamos con los resultados de la socavaci"n general calculado con el mtodos convencionales en el mismo tramo del río 7ímac, se observa una proundidad de socavaci"n de F.< m para una avenida con periodo de retorno de ?222 años *caudal má(imo de <=2 m 8>s+.
"etodo$o()' Para controlar la erosi"n general de manera eica se construy" una serie de traviesas de enrocado o escollera y una cama de enrocado en transici"n *Aigura ??+. )l modelo utiliado en esta investigaci"n es un modelo de lecho m"vil de escala ?>F2, en el que se observan los procesos de erosi"n y sedimentaci"n longitudinal y transversal. Las orillas y las planicies se del río se modelaron como rígidas. Las velocidades presentadas aguas aba!o de la poa disipadora del barra!e m"vil llegaron hasta < m>s y los tirantes con!ugados presentados en el modelo ueron del valor de 1.F2 m hasta 8 m, medidas en prototipo sin protecci"n *L&$, 12?2+. Cna ve deinido estos parámetros se ingresa al diagrama que propuso Lopardo *122<+ resultando un diámetro estable ds N 1.2 m. La longitud que se calcul" ue tomada del criterio usado por el 'uerpo de @ngenieros de los )stados Cnidos donde la longitud del rip rap es de die veces el tirante con!ugado aguas aba!o.
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)ste cálculo dio como resultado 82 m *desde la progresiva 2O=?2 G 2O=F2+ generando una transici"n gradual de enrocado.
Figura 12. -iagrama de Fuerzas de partículas en estudio seg8n estabilidad de momentos "6te'ens 6imons 1#01%
Los datos ueron calculados con el modelo ísico y algunos con los modelos computacionales tales como: $)'G76S 8.?.? y ''$)1K, resultando un diámetro representativo de dN ?.F< m. Se tom" una pendiente para las traviesas de 19, las longitudes de los espaciamientos ueron de 1.1< m *H2 m+, ?.< m *32 m+ y ?.< m *32m+.
E*#eri%ent'ción Figura 11. Propuesta para protecci(n ante incisi(n del lecho aguas debajo de la bocatoma
Las traviesas de escollera ueron diseñadas tomando en cuenta el mtodo de estabilidad de momentos *Stevens and Simons ?H?+ donde señala que las condiciones de umbral se producen cuando los momentos de las ueras hidrodinámicas que act/an sobre un equilibrio una sola partícula resiste los momentos de la uera. La relaci"n de los momentos resistentes entre los momentos de generaci"n de movimiento *actuantes+, se deine a travs de dos actores de estabilidad. La igura ?1 ilustra las ueras que act/an sobre una partícula sin cohesi"n descansa sobre un talud con un ángulo ?, y un ángulo de 2 aguas aba!o. )sas son las uera de sustentaci"n AL, la uera de arrastre AK, la uera de empu!e A# y el peso de la AM de partículas. Siempre y cuando el ángulo de inclinaci"n de la supericie de agua en la direcci"n aguas aba!o es pequeño, a la uera de empu!e puede ser restada del peso de la partícula para dar el peso sumergido de la partícula AS N AMGA#. La uera de sustentaci"n se deine como la uera del luido normal al plano del talud y la uera de arrastre está actuando a lo largo del plano en la misma direcci"n que el campo de velocidades alrededor de la partícula. Las variables de diseño ueron: )suero cortante τ2N<23.F= &>m1, el ángulo de reposo ϕNF2Q, el ángulo del talud θ?N1Q, la pendiente longitudinal SN2.21 m>m, el ángulo de las líneas de corriente λN2.
)l estudio e(perimental se ha realiado en un modelo ísico en el Laboratorio &acional de $idráulica 46lonso 6lcedán la 'ru5 de la Cniversidad &acional de @ngeniería. Se us" una escala no distorsionada de longitudes ?>F2. )l L&$ cuenta con un área total de ? 222 m1, de los cuales ?1 222 m 1 se destinan para pruebas en modelo hidráulico. )l modelo ísico es abastecido desde una cisterna de ?12 m 8 de capacidad por medio de F bombas centríugas que pueden impulsar en con!unto hasta 22 l>s a un tanque elevado de < m8 de capacidad. Eodo este caudal regresa a la cisterna por medio de un sistema de canales de retorno. La tubería de alimentaci"n que transporta agua desde el tanque elevado al modelo es de acero de 8<<,3 mm *?F5+ de diámetro interior, terminando en la alimentaci"n a un tanque de albañilería, el cual está provisto a la salida de un vertedero triangular de bronce de H2Q con un limnímetro de gancho marca &eyrpic, que permite medir niveles de carga de agua sobre el vertedero con R 2,? mm de precisi"n. Kespus de terminado el 4)studio en modelo ísico y matemático de la bocatoma $uachipa en el río 7ímac5 L&$ *12?2+, los traba!os para esta investigaci"n empearon con la colocaci"n del lecho m"vil, que consisti" en depositar el material tamiado, modelando la granulometría del lecho del río 7ímac *Aigura ?8+, sobre la supericie de concreto se empe" calculando la cota de piso en cada punto de las secciones transversales donde la curva de nivel las intersecaba. )n estas ubicaciones, se coloc" un stobolt *esto es un cilindro, hueco en su interior que puede enroscarse sobre un pequeño tornillo que se colocaba en el piso de concreto+.
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Figura 13. 6elecci(n del material del !echo 5nrocado
La altura se calculaba restando la cota de piso *prototipo+ de la cota requerida *prototipo+ y dividindola entre F2 *escala+. Se calcul" la distribuci"n granulomtrica del material de lecho a escala. Jeriicándose sta distribuci"n se procedi" a instalarlo en el lecho m"vil.
Figura 1&. -isposici(n de la bocatoma 'ista aguas arriba
Para el caudal de H.== l>s *?22 m8>s+, se inicio los ensayos el día viernes 1< de ebrero del 12?? siendo a las H:F2 am, todos los ensayos duraron = horas *Aigura ?<+. Siguiendo las descripciones generales mencionadas arriba, se puede visualiar que la ona de la margen derecha del cauce aguas aba!o es la primera que sure inundaci"n, se verti" permanganato de potasio *Aigura ?3+ para visualiar las líneas de corriente y corroboraron que la concentraci"n del lu!o es mayor en la margen derecha, aunque tambin se registra lu!os en la margen iquierda. )l lu!o es evacuado en su totalidad por el barra!e m"vil, haciendo que el lu!o pase por la transici"n de enrocado de manera ondular debido al cambio busco de rugosidades. Cna ve pasado esto el nivel del agua incrementa hasta poder superar la corona de la E?G7. )l lu!o se detuvo en la E?7G2OH82 *que tiene una cota de coronaci"n sobresalida+ hasta esparcirse parte de la masa de agua por todo el ancho del cauce presentando un resalto anegado transitorio, #ateman et al *1222+ señalan que este cambio de rápido a lento produce un resalto m"vil que via!a desde la duna hasta la traviesa donde choca para disipar la energía y desaparecer por completo. )l lecho comiena a descender y cuando la traviesa emerge el lu!o nota el desnivel y sin despegarse del ondo el lecho aguas aba!o de la traviesa se socava, el lu!o se deprime acelerándose, cosa que lo hace más erosivo. Se midi" la longitud del resalto en la margen derecha y tenía un valor apro(imado de 82.12 cm *?1.2 m+ pero conorme este avanaba hacia la parte central *paralelo a la longitud de la traviesa+ disminuía.
Figura 1$. 59perimentaci(n en el lecho con cama de enrocado en transici(n tra'iesas
Para la E1JG?O212 presento un resalto hidráulico cuya longitud ue de <2 cm *12 m+, repartido uniormemente en una longitud de ?.82 m *<1 m+ paralelo a la longitud de la E1J, con un tirante con!ugado de F cm *?.3 m+ en la margen derecha *distancia medida desde la margen derecha hacia el e!e del río+, presentando sedimentaci"n en la parte central del cauce, continuando con ? m *F2 m+ de espe!o de agua. )n la E8'G?O2=2 por ser una traviesa completamente sumergida *nivel coincide con el peril del terreno+ no present" un resalto. )n toda su longitud transversal se evidenci" un espe!o de agua. )n la margen derecha se observo un espe!o de agua de ? m *F2 m+ de longitud y en la margen iquierda se midi" ?.F2 m *<3 m+ de espe!o de agua. )n la EFG# ?O?F2 algunas rocas pertenecientes a la traviesa ueron desplaadas, presentándose una gran erosi"n local aguas aba!o. )n la parte central del cauce los materiales inos se sedimentaron. Kesde el tramo ?O?F2 hasta ?O1=2 en la margen derecha se presenta un gran erosi"n ormándose un canal piloto de ancho promedio de 1< cm *?2 m+. Para el ensayo con el caudal de ?.H l>s *pN?=2 m8>s+ se pudo visualiar que la ona de la margen derecha del cauce e(isten velocidades mayores. )n la ona de la transici"n se puede observar que el lu!o se presenta de una orma ondulada producto de la rugosidad del lecho. Se observ" que el enrocado suri" un desplaamiento de 1 cm *?2.=2 m+. Si se compara el lecho original con el lecho ensayado se tiene una sedimentaci"n de 8.3 cm *?.FF m+ las partículas sedimentadas son muy pequeñas *)n la parte central+. 6guas deba!o de la E?7 se pudo apreciar que comen" a crecer la erosi"n. @ncluso se movieron algunas partículas del enrocado de la E?7, desplaando un enrocado de 82 mm *?.12 m+ y 12 mm *= m+ depositándolos en el oso de erosi"n. )n la segunda traviesa no se observ" ning/n desplaamiento de las rocas que conorman la escollera, el lu!o se esparci" casi en un H2 9 en su longitud transversal de la traviesa presentado una erosi"n de F2 cm *?3 m+. )n la parte central del cauce se evidencio tirantes muy pequeños con velocidades muy pequeñas generando una sedimentaci"n de s *pN 822 m8>s+ )n el enrocado de la transici"n las partículas que lo conorman empearon a vibrar presentando volteo.
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)n la E?7 se gener" un resalto anegado estable que se caracteria por la entrada de un chorro que ingresa en la masa de agua con ángulos grandes respecto de la horiontal. Se presentaron desplaamientos de rocas de la traviesa de ?3 cm *3.F2 m+.
Resu$t'dos +$ob'$es La protecci"n con traviesas de escollera arro!aron muy buenos resultados para el control de la erosi"n general aguas aba!o de la #ocatoma $uachipa, la má(ima erosi"n ue de 8.?1< cm *?.1< m+. Las traviesas de escollera y la transici"n de enrocado controlaron la erosi"n progresiva y regresiva. La evoluci"n de la pendiente del lecho ue lenta *Eabla ?+. La pendiente entre los tramos de traviesas ueron variables en los dierentes periles longitudinales del lecho luvial, observando que los periles longitudinales de la margen derecha son los más notorios donde sigui" ocurriendo erosi"n y sedimentaci"n. >abla 1. Pendiente entre tra'iesas en la margen derecha del lecho Pendiente entre los tramos 4audal >&B/ >1R/>2: >2:/>34 >34/>&B !echo 177 m8>s
2.2?
2.21<8
2.22H3
2.22=F3
>s 377 m >s &07 m8>s
2.21F3 2.2?= 2.2818
2.2??< 2.2?3? 2.22<
2.22H?2 2.2??F 2.2?8
2.2?8 2.2?
$7 m8>s
2.212=
2.22F=F
2.2?3H
2.
8
17 m
8
Figura 1,. :ertido de trazador a base de permanganato de potasio ";n<&% a tra'=s del barraje m('il
Para el ensayo con el caudal de F3.F< l>s * pNF2 m8>s+, la granulometría del oso de erosi"n de las traviesas presentan casi un diámetro uniorme. Para la EF# se presenta un resalto mucho mayor que el de los ensayos anteriores, ocurriendo erosi"n aguas aba!o de la traviesas. 6guas aba!o de la E1J el má(imo desplaamiento registrado ue de F1 cm *?3.=2 m+. Eambin se puede observar que en la parte central del cauce se presenta sedimentaci"n y en el e(tremo iquierdo presenta una erosi"n considerable. )n el tramo ?O?F2G?O1=2 la ormaci"n del canal piloto *igura + en la margen derecha presento una erosi"n má(ima de 82 cm *?1 .2 m+ con un ancho de 88 cm *?8.12 m+. )l /ltimo caudal de <.<1 l>s * pN<=2 m8>s+. )n la progresiva 2O=2 en la margen iquierda se midi" una erosi"n má(ima de 3 cm *1.F2 m+. Eanto para la E?7 y E1J ocurre una gran erosi"n aguas aba!o *margen derecha+ alcanando una erosi"n del oso la cimentaci"n de las traviesas. Para la E?7 ocurrieron desplaamientos de rocas de la traviesa de ?.3 m *3F m+. 6sí tambin se puede apreciar que en muchas rocas que constituyen la traviesa de escollera están depositadas en el oso de erosi"n. )n este tramo el valor má(imo de erosi"n general medido es de ?.=2 cm *2.1 m+. Si comparamos el lecho original y el lecho despus del ensayo de F3.F< l>s *F2 m8>s+ con el ensayado actual podemos observar que la erosi"n general ha incrementado muy notablemente.
)n el enrocado de transici"n se detect" movimiento para el caudal de 1H.3< l>s *822 m8>s+. )n 2O=<2 ocurri" una erosi"n má(ima de 1.< cm *? m+. )ntre el tramo de E?7GE1J se pudo apreciar que la pendiente varía desde ?.s y ?.H l>s luego debido a la erosi"n del oso y el desplaamiento de este ocurri" una sedimentaci"n de 2.< cm *2.8?2 m+. Para el ensayo de F3.F< l>s *F2 m8>s+ se registr" una erosi"n de 2.=<1 cm *2.8F? m+ *comparaci"n entre el caudal de F3.Fs y 1H.3< l>s+ desplaando el material aguas arriba de la E8' generando una sedimentaci"n de 2.38 *2.1<1 m+. )n los ensayos de <.8H l>s *<=2 m8>s+ se gener" una erosi"n de 1.2< cm *2.=1? m+. )n el tramo E8'GEF# la pendiente se incremento desde 2.H39 hasta ?.3H9. La erosi"n ue muy lenta para los caudales de H.== l>s y F3.F< l>s. )n el ensayo de <.8H l>s ocurri" una erosi"n de 2.1< cm *2.82H m+. Los n/meros de Aroude registrados variaron desde 2.= hasta F.1. La EF# present" un n/mero de Aroude promedio de F.2. )n todos los ensayos se observ" un rgimen supercrítico. )n la margen derecha y la margen iquierda *?O212 para delante+ los tirantes presentados variaron de F.1< cm *?.2 m+ hasta =.1< cm *8.82 m+ y en la parte central del cauce ue de ?.F cm *2.<3 m+. )n estos ensayos la longitud del oso de la E?7, present" variaci"n desde ?3.=2 cm *3.1 m+ para los ensayos de H.== l>s y hasta ?1H.H cm *. H= m+.
Fi ura 1. 5'oluci(n del er+il lon itudinal desde la ro resi'a 7?77 @ 1?27 en la mar en derecha
AMH
XXII C ONGRESO N ACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO , G UERRERO , M ÉXICO , N OVIEMBRE 2012
Para los ensayos de F3.F< l>s despus esta longitud ue disminuida a 3H.? cm *1.F3 m+ con el caudal de <.8H l>s *<=2 m8>s+ generando una erosi"n má(ima del oso de 1.H= cm *?.?H1 m+. )n la E1J la longitud del oso de erosi"n ue oscilante desde una longitud de 8<.3 cm *?F.1F m+, ?H.3 cm *.= m+, 83.H< cm *?F.= m+, 8F.2 cm *?8.38 m+, ?H.? cm *.3F m+ para los cinco caudales ensayados respectivamente, La má(ima erosi"n del oso ue de 8.?H< cm *?.1= m+. )n la E8' la longitud del oso ue de 11.H cm *H.?H m+ luego la longitud se hio casi nula para el ensayo de F3.F< l>s presentando un oso de erosi"n muy pequeña de 2.=1< cm *2.882 m+. Para el ensayo de <.8H l>s *<=2m m8>s+ la longitud del oso ue de <.1< cm *82.?2 m+ y la erosi"n ue de 1.F3< cm *2.H=3 m+. Para la EF# la longitud de oso ue desde ?.=< cm *.?< m+ hasta .1< cm *82.H2 m+ y las erosiones ueron desde ?.8H cm *2.<s *8.F m>s+.
AMH
obtienen buenos resultados a la escala empleada y que no habría eectos de escala. • Las traviesas de escolleras al ras del lecho tienen un
uncionamiento mucho me!or que las de una pequeña corona sobresalida. )sta traviesa *E8'G?O2=2+ no present" erosi"n local, ni tampoco se observ" un lu!o ondulado. Para el ensayo de <.8H l>s *<=2 m8>s+ recin se orm" un pequeño oso de erosi"n considerable, generando una pequeña erosi"n local aguas aba!o. • Se necesita una batería *con!unto de traviesas de enrocado+ para poder controlar la erosi"n general en su totalidad. La EF# para los ensayos de F3.F< l>s y <.8H l>s *F2 m8>s y <=2 m8>s+ ormo un encañonamiento de ancho pequeño y de proundidad de erosi"n local alta. • 6guas aba!o de la traviesas con una pequeña corona
sobresalida se produce un salto. )ste descenso o erosi"n aguas aba!o es una amenaa directa para la cimentaci"n de la traviesa que producirían osas de erosi"n de considerable magnitud, en proundidad y e(tensi"n. La orma de la traviesa si inluye en la estabilidad del enrocado además sirve de guía al lu!o para que lleve un recorrido del ángulo de incidencia del chorro. • 'on la longitud entre traviesa *?O212G?O2=2, ?O2=2G?O?F2+
a la mitad del ancho del cauce *32 m, medida en el prototipo+ se presentaron pendientes menores comparadas con el tramo *2OH82G?O212+ donde se le dio la longitud de dos tercios del ancho del cauce *H2 m+. • Las traviesas no presentaron colapso total a pesar de ser
ensayados con un caudal milenario instantáneo. 6demás de eso los ensayos sin incorporaci"n de sedimentos sirvieron para medir las má(imas erosiones tanto locales como generales. Figura 10. agnitud de 'elocidades en el enrocado de transici(n
Las velocidades presentadas en la secci"n transversal de las traviesas *igura ?2+ variaron desde 2.238 m>s *2.F2 m>s+ hasta 2.F m>s *F.H2 m>s+ para los diversos ensayos. Las velocidades se concentraron en la margen derecha para los ensayos de H.== l>s *?22 m8>s+ y ?.H l>s *?=2 m8>s+ mientras que en los tres /ltimos tres ensayos las velocidades se concentraron tanto en la margen iquierda como en la margen derecha *Aigura H+, presentándose las mayores velocidades en la margen derecha del cauce. )n la parte central del lecho las velocidades ueron pequeñas, lo que no ocurre durante los ensayos de F3.F< l>s *F2 m8>s+ y <.8H l>s *<=2 m8>s+ en donde se presentaron velocidades en el rango de 2.?8 m>s *?.? m>s+ hasta 2.FF m>s *8.2 m>s+.
Conc$usiones • 'on el estudio realiado se demostr" que la traviesa puede
eectivamente actuar como un punto i!o del peril del río, controlando las cotas de ondo aguas arriba en su evoluci"n a largo plao. • )s necesario colocar un enrocado de transici"n aguas aba!o
de la poa disipadora del barra!e m"vil, esto conlleva a que el lu!o salga o se disperse por todo el ancho del río sin producir una incisi"n en el cauce. )stos enrocados deben ser diseñados teniendo en cuenta las altas velocidades y presiones luctuantes que se generan en lu!os macroturbulentos. )n los resultados obtenidos en el modelo ísico se comprueba que se
Re,erenci's *1222+. 4)studio )(perimental de la erosi"n local producida por la presencia de umbrales de ondo en lecho vivo ”. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica, '"rdoba, 6rgentina. 2./ Bateman P.) . ; Cim=nez P.) P.A *1223+ 4)studio sobre estabilidad de traviesas y lechos de escollera con transporte de s"lidos5 Universidad Politécnica de Catalunya , #arcelona, )spaña. 3./Culien) P. *?HH<+ “Erosión and edimentation”. Cam!ridge University Press , Airst edition, Cnited States o 6merica. &./ !aboratorio acional de Hidrulica / !H *12?2+. 4)studio en -odelo Aísico y -atemático de la #ocatoma $uachipa en el rio 7ímac @norme Ecnico5, Lima, Per/. $./ !aboratorio acional de Hidrulica / !H *?HH+ 4)studio en -odelo $idráulico en ondo -"vil del 7ío 7ímac Eramo Puente )l )!rcito. @norme Ecnico5 . Lima, Per/. ,./ !opardo R. A 4asado C. . *122<+. 4)stabilidad de enrocados aguas aba!o de disipadores a resaltos5. egundo im"osio de #egional so!re Hidráulica de #$os , &euqun, 6rgentina. 0./ artín :ide C. P. *1228+ 4@ngeniería de 7íos5. Universidad Politécnica de Catalunya , #arcelona, )spaña. 1./ ndreatta) A Bateman P.) .A uñoz .