“Diseño de una zanja de coronación como alternativa de solución para la desviación de aludes de lodo en la quebrada Santo Domingo Chosica”
Proesores
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"ragagnini #odriguez$ %van &nrique Paredes "arriga$ 'iguel (ngel
Curso
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Seminario de %nvestigación acad)mica %%
%ntegrantes
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*lores *alcón$ Carla So+a ,u.//.01/2 Saldaña 3uñez$ 3 uñez$ (ntuanet 4ahaira ,u.//1152
./5 Objetivo
&ste inorme tiene como objetivo el proponer el diseño de una zanja de coronación como alternativa de solución para la desviación de aludes de lodo para reducir los +ndices de mortalidad que se ocasionan por huaicos en la quebrada de Santo Domingo$ Chosica$ adem6s de reducir los costos que se generan por la destrucción de viviendas 7 derrumbes que dejan damni8cados 7 estructuras destruidas9 Logro
(l concluir este inorme llegaremos a la conclusión de que$ a trav)s de los diversos m)todos implementados por los autores evaluados$ una zanja de coronación resulta una alternativa adecuada para la solución de la reducción de costos e +ndices de mortalidad producidos por los huaicos: 7a que evaluaremos las condiciones en las que estar6 ubicada la zanja$ eectos que produce &3S; 7 cómo aecta la geometr+a de esta en todo el proceso9 Con todo ello$ concluimos que es posible la construcción e implementación de nuestro tema tesis undamentado en la inormación obtenida9 Problema que el autor desea resolver
Desde que el enómeno de &l 3iño mostró sus primeras señales$ se ha demostrado que ha7 una relación entre este enómeno 7 el incremento de las precipitaciones en el Per<9 =a intensidad de la lluvia cuando e>cede la capacidad de in8ltración del suelo ocasiona deslizamientos 7 ?ujos de escombros que son depositados en grandes cantidades en barrancos 7 otros ?ujos de agua en zanjas agr+colas9 &n algunos casos$ las alteraciones hidrológicas que ocurren en las zanjas agr+colas han dado lugar a la erosión de bancos$ sedimentación 7 procesamiento inadecuado de nutrientes$ cada uno de los cuales plantean graves consecuencias para el canal 7 su estructura9 =a cuanti8cación del ?ujo de base de las zanjas de drenaje es esencial en la compresión de la din6mica de ?ujo$ 7a que la estimación del balance de masa para una sección de la corriente no puede dar una medida e>acta del ?ujo de base durante los per+odos de bajo ?ujo debido a la alta de precisión en las mediciones de ?ujo en los canales de aoradores9 &sto se debe$ a que durante estos enómenos$ el tirante de la mezcla agua-sedimento supera el tirante esperado en un ?ujo de agua sin sedimentos para un mismo caudal$
esto es porque el caudal de la mezcla es mucho ma7or que en un ?ujo de sólo agua 7 transporte sólido$ as+ mismo$ la densidad de dicha mezcla se eleva por encima de la densidad del agua9 =a aparición de este tipo de enómenos est6 asociada a grandes caudales$ disponibilidad de sedimentos 7 cauces de alta pendiente9 &stos cauces de alta pendiente pueden e>perimentar avenidas torrenciales en las que la corriente se presenta una mezcla agua-sólidos con gran capacidad erosiva 7 destructiva9 &l material que es depositado en las zanjas erosiona 6cilmente 7 alimenta los ?ujos de escombros ,Shieh et al9 ..02$ lo que ocasiona que ha7a una disminución de la resistencia del material que estabiliza los canales 7 un aumento del peso de la masa deslizante9 &sto genera que los sedimentos se trasladen$ lo que causan terribles desastres como a las carreteras industriales$ las residencias pró>imas se ven aectadas$ entre otros$ debido a que el deslizamiento de tierra causa grandes ?ujos de lodo que hacen que esto se desencadenan9 Para hacer un buen plan de gestión 7 prevención de desastres es necesario hacer una modelación de aludes$ pero no e>isten muchos trabajos relacionados$ por eso es necesario el uso de sot@ares como *=;-D$ (A(=-/D$ entre otros que han sido usados en papers que hemos presentado que s+ son e8caces 7 que consideran diversos par6metros$ inclu7endo incertidumbres que pueden in?uenciar en los resultados del diseño del modelo 8nal 7 la con8abilidad que se le va a dar a este9 Despu)s de modelar los aludes se plantea el diseño del canal teniendo en cuenta su geometr+a$ prevista por las curvas regionales que relacionan la geometr+a del cauce lleno con el 6rea de drenaje$ 7 su sección transversal9 &l problema que se plantea es que los canales tradicionales$ los que tienen secciones transversales en orma de A 7 en orma rectangular$ se llenan o se bloquean antes de lo plani8cado$ lo que genera que operen de una manera ine8ciente9 Por eso$ se plantea una propuesta de solución de un canal trapezoidal9 Importancia
del
problema
&l enómeno de &l 3iño o tambi)n conocido como &3S; ,por sus siglas en ingl)s! &l 3iño Southern ;scilation2 trae consigo anomal+as de temperatura$ incremento de las lluvias$ entre otros9 &stos eventos e>tremos desproporcionados impactan al paisaje aectando con erosiones$ inundaciones$ ?ujos con escombros$ m6s conocidos en nuestro pa+s como huaicos$ entre otros$ que traen consecuencias monetarias$ de inraestructura 7 de mortalidad9 &s por esto$ que e>iste la necesidad de predecir respuestas
hidrológicas 7 riesgos naturales asociados a estos desastres9 Por otro lado$ analizamos los sistemas de canal de agricultura$ 7a que muchos de estos han sido construidos o modi8cados para transportar la escorrent+a super8cial del campo agr+cola 7 la descarga de los cauces que se encuentran llenos$ lo que se vincula como un transportador de ?ujo en un terreno similar al de estudio: es por ello que su estudio$ mantenimiento 7 uncionamiento tiene mucha importancia en todo sentido9 Cuando la intensidad de la lluvia e>cede la capacidad de in8ltración del suelo$ la escorrent+a super8cial aparecer69 Como se mencionó anteriormente$ estos escurrimientos erosionar6n la super8cie de la tierra 7 producir6n barrancos eventualmente$ adem6s de la erosión de bancos que dañar+an la inraestructura de la zanja de coronación9 Por lo tanto$ es undamental para prevenir los desastres 7 para mitigar 7 reducir la p)rdida de los residentes locales9 'edidas de ingenier+a de ?ujo de escombros de mitigación$ tales como diques$ canales de drenaje 7 las cuencas de ?ujo de escombros$ se puede utilizar para reducir la gravedad de los desastres =os deslizamientos de rocas 7 avalanchas de rocas son mu7 abundantes en las zonas montañosas$ que debido a las precipitaciones tambi)n se pueden convertir en ?ujos de escombros en algunos casos9 Presentamos en uno de los casos una avalancha de barro junto con roca como ?ujo provocadas por el antecedente de lluvias torrenciales que ocurrió en el condado de Ban7uan$ Sichuan$ China$ el de julio de ./.9 =o que provocó un derrumbe que se inició como una avalancha de rocas con un volumen E.$... mF9 Para este caso$ la avalancha de roca tiene una distancia de descentramiento de /$ Gm$ los depósitos del allo de primer comenzaron a arrastrarse lentamente a la corriente abajo del valle debido a la uerza gravitacional9 Hna hora m6s tarde$ la corredera secundaria alcanzó la ciudad Iangong al pie de la pendiente 7 comenzó desaceleración debido a la obstrucción de los edi8cios$ para lo cual 7a hab+a enterrado cinco casas 7 causando . v+ctimas mortales9 &s por eso$ que es importante porque tenemos un caso que podemos comparar con los huaicos que han ocurrido en el distrito de Chosica$ los cuales tambi)n han tenido un proceso similar9 #especto de la geometr+a de la zanja$ se discutió el diseño de una sección transversal óptima de un canal de drenaje con una sección transversal en orma de trapecio A$ que se utiliza ampliamente para prevenir 7 curar ?ujo de escombros viscosa9 (dem6s$ se puede comentar que la importancia que plantean estos autores es sumamente relevante para nuestra tesis$ 7a que este canal es mu7 similar a la zanja de coronación que queremos aplicar en nuestro plan de tesis9
Estado
del
arte
que
hace
el
autor
De acuerdo con los datos de Jropical #ainall 'easuring 'ission ,por sus siglas en ingl)s J#''2 obtenido en Kipser ,..12 menciona que la señal en eventos e>tremos sobre el sureste de (m)rica del Sur tiene mu7 signi8cativos impactos pr6cticos$ 7a que es el LLpunto caliente LL m6s e>tenso de las m6s intensas tormentas en la tierra$ adem6s de ser una región mu7 poblada con gran actividad económica$ la agricultura moderna$ 7 la intensa generación de energ+a hidroel)ctrica9 Con lo que respecta a las zanjas agr+colas$ los autores comenta sobre Mnitghton 7 #hoads$ que sugieren que el ajuste del canal cuesta abajo despu)s de una canalización toma lugar$ no por la incisión del canal 7 la erosión de la base$ sino por el desarrollo de las caracter+sticas ?uviales agradacionales9 Deslizamientos inducidos por lluvia-representan un riesgo importante en el mundo 7 se convirtió en una preocupación importante para las autoridades nacionales 7 locales9 Se inormó de un gran nico 7 otros9 ,(7ale@ /000: Corominas 7 'o7a /000: =in 7 Neng ...: (lc6ntara-(7ala ..: Chen 7 =ee ..: Ouzzetti et al ..:9 4oshimatsu 7 (be ..129 Chen 7 Cui ,..12 llevaron a cabo algunos e>perimentos arti8ciales de lluvia sobre el origen del ?ujo de lodo 7 estudiaron el proceso del ?ujo de escombros que la tormenta siempre reerencia a partir de los e>perimentos de modelo en ?ujo de lodo9 =as mediciones ine>actas de ?ujos bajos llevan a grandes errores de balance de masa9 Por ejemplo$ para un canal ,por ejemplo degollada canal2$ el ?ujo es generalmente sumergido durante los per+odos de bajo ?ujo ,Oos@ami et al9 ..E29 #icGenmann ,/002 constru7ó dos ecuaciones con base en datos observados en distintos cauces de alta pendiente con lecho de material granular9 &stas ecuaciones que relacionan la velocidad media del ?ujo con variables que no dependen de la geometr+a de la sección 7 que son relativamente sencillas de obtener9 #icGenmann recomienda el uso de la ecuación / para pendientes menores a E 7 la ecuación para pendientes ma7ores9
Donde H es la velocidad media del ?ujo en mQs: g es la aceleración debida a la gravedad en mQs$ D0. es el di6metro de la part+cula 0. son menores o igual a ese tamaño en m$ S es la pendiente del cauce en mQm 7$ R es el gasto liquido de un r+o en mFQs9 =a estimación del transporte de sedimentos para cauces de alta pendiente est6 limitada a modelos emp+ricos$ los cuales ueron obtenidos para condiciones hidr6ulicas espec+8cas que di+cilmente se comparan con los cauces donde se requieren aplicar ,'endoza$ ./29 Modelo de Mora, Aguirre y Fuentes
'ora et al9$ ,/00.2 elaboraron un modelo para determinar el caudal sólido unitario en cauces con alta pendiente en unción del n
Dónde! qs es la tasa de transporte en mFQsm: D5. es el di6metro medio de material del lecho en m: T es el peso espec+ico relativo del sólido: C es el Coe8ciente adimensional de Chez7: * es el n
*c es el valor cr+tico del n
Modelo de O!rien and "ulien #$%&'(
Para la hidr6ulica torrencial$ el esuerzo de corte en el ondo para ?ujos hiperconcentrados se representa por!
Donde b es el esuerzo de corte producido en el ondo en 3Qm: cc es el esuerzo de cedencia cohesivo en 3Qm$ mc en el esuerzo de cedencia de
'ohr-Coulomb en 3Qm: v es la tensión de corte viscosa en 3Qm$ t es la tensión de corte turbulenta en 3Qm 7: d es la tensión de corte dispersiva en 3Qm9 ;U"rien and Nulien ,/0E52 propusieron un modelo cuadr6tico para e>presar la ecuación E en unción de la tasa de corte para poder estimar el esuerzo cortante de ondo producido por un enómeno torrencial$ dicha ecuación en la siguiente!
Donde es el esuerzo cortante cr+tico del material del lecho en 3Qm 7 es el coe8ciente de la tensión de corte inercia en GgQm de8nido con la ecuación //: es la viscosidad aparente del ?uido obtenida por *ei ,/0EF2 con la ecuación /. 7: dHQdh es la tasa de corte en s-/9 Modelo de !agnold #$%&)(
"agnold ,/0E.2 relacionó la tasa de trabajo$ representada por el transporte de sedimentos$ con la tasa de gasto de energ+a en el cauce para obtener el volumen por unidad de ancho 7 tiempo de transporte de ondo de una masa sumergida9 Para tomar en cuenta que las part+culas no tienen la misma dirección ni velocidad$ "agnold$ introduce el coeiciente tan V$ siendo V el 6ngulo promedio de choque de las part+culas
Donde gUb es el transporte de sedimentos en peso sumergido en GgQsm: H es la velocidad media del ?ujo en mQs 7: eb es la e8ciencia de transmitir dicha energ+a 7: tan V es una unción del 6ngulo de colisión de las part+culas9 =os par6metros eb 7 tan V se obtienen de valores graicados por "agnold ,/0112 7 son .9/.5 7 .9F5 respectivamente9 ;L"rien ,/00F2 utilizó *=;-D para simular el ?ujo de lodo de #udd CreeG en /0EF9 &l m)todo adoptado supone que los desechos de aguas abajo ueron entregados por la inundación de aguas arriba9 Despu)s de comparar resultados de la simulación con los valores reales$ la ma7or proundidad en el v)rtice del cono de de7ección$ la proundidad de la parte delantera de la gama de inundación$ 7 la velocidad de ?ujo ueron consistentes con los valores reales9
&n el .. el %OC se planteó la realización de un plan de zoni8cación del peligro de aludes en el Pirineo de Cataluña9 &ste plan inclu7e la simulación num)rica de aludes como complemento del resto de la inormación que permitir6 obtener la peligrosidad9 Se decidió que (A(=-/D ser+a el programa recomendado por el %OC para la realización de las modelizaciones9 &l principal argumento para la selección de este programa ue su amplio 7 contrastado uso a nivel internacional ,Namieson et al9$ ..E2$ 7 que desde el año ...$ el %OC 7a lo utiliza en sus estudios de peligrosidad9 (nte la inminente utilización sistem6tica del programa$ se decidió realizar un estudio previo de validación 7 calibración del mismo9 &l programa (A(=-/D ,Christen et al9$ ..2 permite la simulación de aludes en una dimensión desde la zona de inicio de la avalancha hasta la de parada9 (A(=-/D est6 ormado por dos módulos! *=-/D$ para aludes de ?ujo denso$ 7 S=-/D$ para aludes de nieve polvo9 Iei et al9 ,..12 realizó e>perimentos de simulación 7 obtuvo los resultados para la velocidad m6>ima$ la distribución de la proundidad de ?ujo 7 la zonas peligrosas: as+ obtuvo la velocidad interna de ?ujo de escombros9 "asado en el an6lisis 7 en la pr6ctica$ Iang et al9 ,/0012 planteó la canal de desagWe de sección transversal en orma de A$ que ue diseñado para el transporte de materias9 &l autor 4ou ,/0002 ha encontrado la condición hidr6ulica óptima para canales de drenaje en orma de A$ pero no discutir el diseño óptimo$ aunque el par6metro de con8guración de la sección transversal de la A canales de drenaje en orma ue posteriormente discutida ,4ou et al9 ..129 Sin embargo$ pocos estudios han e>aminado cómo con8rmar que el tamaño de la sección transversal de un canal de drenaje proporcionar6 las condiciones hidr6ulicas óptimas9 &n este estudio$ el diseño de sección transversal óptima de un canal de drenaje sección transversal en orma de trapecio A$ que se utiliza ampliamente-para prevenir 7 curar ?ujo de escombros viscosa$ ue discutido9
*escripci+n del aporte del autor
=a velocidad instant6nea calculada en los procesos distintos que ser6n mencionados a continuación muestra ?uctuación con el tiempo9 =os cambios alternantes entre picos 7 valles demuestran que la capa de ondo 7 la orma de la zanja tienen gran in?uencia en el movimiento del ?ujo de lodo: lo que es de gran importancia 7a que asevera nuestras suposiciones de la elección
de geometr+a de la zanja de acuerdo al tipo de ?ujo 7 su movilidad medida de acuerdo a velocidad9 (dem6s$ llegamos a la conclusión de que los canales de ?ujo de lodo incidental deben limpiarse regularmente para controlar la cantidad de materiales sólidos 7 sedimentación para as+ reducir la probabilidad de ocurrencia de desastres9 =a longitud$ la anchura 7 el 6rea de la acumulación son lineales al 6ngulo unidad de peso$ la descarga 7 la pendiente zanja9 =os principales actores que aectan a la acumulación de sedimentos en los canales! /9 Bacer la limpieza de sedimentos en el rojo elevación ,limpieza de sedimentos incorrecta2 9 =a insu8ciencia de las condiciones aguas abajo F9 =a baja pendiente 9 &rrores en la estructura t)cnica =a investigación que se dio en uno de los papers inclu7e inormación detallada de la cartogra+a$ la prueba de tamaño de grano 7 la interpretación de las im6genes se llevaron a cabo para describir las caracter+sticas de deslizamientos 7 analizar su mecanismo de ormación 7 el proceso din6mico9 &sto se debe a que las caracter+sticas geomorológicas 7 la estructura geológica r6gil tambi)n contribu7eron en gran medida a la ocurrencia de deslizamientos9 (dem6s$ el in?uenciador principal ueron las uertes lluvias 7 la uerte uerza de arrastre9 Por otro lado$ los principales 7acimientos ueron casi saturados$ lo que hizo que sea propenso a deslizarse por la parte empinada del valle$ esto resultó en ango 7 lodo9 =a combinación de todos los actores antes mencionados en conjunto avoreció la ocurrencia de deslizamientos$ 7a que las precipitaciones$ tambi)n$ pudieron penetrar 6cilmente en las pendientes que se encontraban desestabilizadas alrededor de la ladera9 (dem6s$ se evaluó la simulación mediante diversos programas de modelación como lo es *=;D9 &ste$ orece tres modos para la simulación de diversos problemas +sicos9 &l modelo din6mico de onda$ el modelo de onda de diusión 7 el modelo de onda cinem6tica9 &l modelo din6mico de onda se utiliza generalmente para obtener un an6lisis m6s preciso 7 es el usado para este paper$ 7a que los otros utilizan menos actores$ lo que hace que ha7a
m6s rango error9 =a relación de similitud ue 1$E$ que es cercano al valor aceptable de .9 Sin embargo$ esto solo es cuando se van a comparar con eventos de deslizamientos que 7a han ocurrido$ si se desea modelar para prevención de riesgos entonces no es necesario9 Para cada zona de alud se generó un per8l topogr68co representativo9 Se consideraron las tra7ectorias posibles$ la anchura del ?ujo 7$ en caso de división del ?ujo9 =os par6metros relacionados con la geometr+a 7 topogra+a de la avalancha requieren una buena cartogra+a del evento$ especialmente de la anchura del ?ujo9 Pero la determinación de las condiciones iniciales ,espesor 7 6rea de partida2 es el paso que puede introducir un ma7or error en la modelización porqu) se basaron en asunciones9
Proceso para resolver el problema #solo si hay validaci+n(
Para plantear el diseño de una zanja de coronación se necesita seguir los siguientes pasos! /9 9 F9 9 59 19 -
Descripción del sitio &valuación 7 an6lisis de condición +sica Sistemas de drenaje en el Xrea de &studio #ecolección de datos =a identi8cación de la Dimensión de sedimentos Par6metros del modelo Como requisito previo para el estudio$ investigación de campo ue llevada a cabo9 9 Con8guración del modelo - &l ?ujo de lodo se compone principalmente de escombros en zona de iniciación de ?ujo$ zona de transporte 7 zona de deposición9 &n el ?ujo de escombros de la zona de iniciación$ se instaló la v6lvula de control para controlar la descarga por unidad de tiempo9 De acuerdo a las caracter+sticas hidr6ulicas del cauce$ el caudal liquido asociado a un periodo de retorno 7 el modelo de transporte de sedimentos de ondo en r)gimen ?uvial analizado$ se estimar6 el esuerzo cortante sobre el lecho del r+o 7 la tasa de transporte de sedimentos en peso seco9 Jomando en cuenta par6metros hidr6ulicos$ as+ como los modelos de esuerzo cortante
de ondo 7 transporte de sedimentos en r)gimen torrencial$ se estimaron los esuerzos cortantes$ los par6metros de caracterización del ?ujo 7 las tasas de transporte9 =a calibración del modelo de ?ujo denso *=-/D se dio para / avalanchas$ 7a que hubo una limitación por el lado de la corta serie temporal$ años$ que hace que sea poco probable disponer de registros e>tremos$ de un per+odo de retorno de F. años como m+nimo9 Siguieron la siguiente metodolog+a! -
Selección de los par6metros de entrada
-
Simulación de control Hna vez seleccionados los par6metros iniciales$ se realizó una primera simulación de control con el objetivo de hacer un an6lisis preliminar de los puntos cr+ticos de la modelización 7 aspectos a mejorar9
-
%teraciones de c6lculo &n esta ase se realizó un proceso reiterativo de introducción de pequeños cambios$ con el objetivo de obtener el mejor ajuste posible entre los resultados de la modelización 7 las observaciones reales9 - Selección de la modelización que presenta ma7or ajuste 7 valoración de los resultados9 Hna vez que se consiguió una buena apro>imación entre la modelización 7 las observaciones reales$ se comprobó que tanto los par6metros iniciales introducidos en el modelo como los resultados en cuanto a velocidades$ alturas de ?ujo 7 presiones$ ueran coherentes9
Principal
resultado
#solo
si
hay
validaci+n(
Despu)s de todos los an6lisis 7 de diversos procesos aplicados podemos resumir en que la velocidad del ?ujo de lodo es uno de los m6s importantes par6metros en la din6mica del ?ujo de lodo$ la evaluación de desastres 7
prevención del ?ujo de lodo9 Por lo tanto$ el an6lisis de la velocidad es de gran importancia9 (dem6s$ pudimos ver que el m6>imo espesor de los depósitos de ?ujo de lodo se produce generalmente en la media del cuerpo acumulación9 Desde el borde del centro$ el espesor va en aumento9 =as dierentes medidas de ingenier+a se adoptan sobre la base de dierentes espesores de la acumulación cuerpo$ cuando los edi8cios est6n construidos9 #especto de la limpieza 7 los per+odos en los que esta debe realizarse$ inormó de que los per+odos de limpieza en canales de drenaje construidos por DS% en Jurqu+a son de - 5 años para los canales principales$ - F años para los canales secundarios 7 / - años para canales terciarios9 Sin embargo$ este caso muestra la necesidad de llevar a cabo la evaluación 7 los estudios sobre la limpieza de los tiempos de la )poca9 ;tro actor importante en la evaluación de aludes de lodo es el antecedente de la precipitación torrencial9 &ste es el principal actor desencadenante del derrumbe9 Directamente$ la precipitación aumentó la gravedad pendiente$ contenido de agua$ 7 la presión de agua de los poros correspondientes$ por su parte tambi)n reduce en gran medida la resistencia de los materiales en la zona de deslizamiento9 &stos estudios previos 7 simulaciones indican que *=;-D es razonablemente bien desarrollado 7 e8caz para aplicaciones de casos reales9 ( trav)s de la simulación realizada$ se determinó que cuando la precipitación acumulada dentro de las horas ue inerior a .. mm$ se esperaba que la concentración en volumen a ser F5$ que estaba dentro del rango de control de la conservación construcción9 &stos resultados muestran que el ?ujo de lodo no se desborde la cuenca de retención previsto aguas abajo 7 en su lugar ?uir hacia abajo a lo largo del canal sólo si el canal permanece desbloqueado9 Sin embargo$ cuando la precipitación acumulada en horas e>cedió 1.. mm$ la cuenca de retención ser+a obstruido con limo 7 ?ujos de lodo ?uir+a hacia abajo a lo largo de la pendiente 7 desbordar la pared de F m de altura de retención construido para proteger a la comunidad9
olocar las re-erencias bibliogr./cas re-erenciadas en este in-orme
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