UNIV EERSIDAD NACIONAL D EE CÓRDO B BA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
MA EESTRÍA EEN CI EENCIAS D EE LA ING EENI EERÍA Mención Recursos Hídricos TESIS:
DETER MIN ACIÓN DE L A C AP ACID AD HIDR ÁULIC A DEL C AN AL LOS MOLINOS – CÓR DOB A
ING. EDG AR AR M. C AS ASTELLÓ DIR ECTOR : DR . ING. ANDR ÉS R ODR ÍGUEZ AÑO 2009
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
ÍNDICE 1
INTRODUCCIÓN..................... INTRODUCCIÓN...................................... .................................. .................................. ................................... ............................... ............. 1
2
OBJETIVOS OBJETIVOS .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ......................... ........ 3 2.1 OBJETIVOS PLANTEADOS INICIALMENTE........................................................................... ...................................................................................... ........... 3 2.2 TAREAS INCORPORADAS ....................................................................... ........................................................................................................... .................................... 4
3
METODOLOGÍA......................... METODOLOGÍA.......................................... .................................. .................................. .................................. ............................ ........... 5
4
APLICACIÓN APLICACIÓN Y ANÁLISIS ANÁLISIS DE RESULTADOS........................... RESULTADOS............................................. ............................... ............. 7 4.1 APROVISIONAMIENTO DE AGUA DEL GRAN CÓRDOBA .................................................................. 7 4.1.1 Subsistema Suquía ..................................................... ........................................................... ....... 8 4.1.2 Subsistema Xanaes ...................................................................................................................... 9 4.2 DESCRIPCIÓN DE LA OBRA ..................................................................... ....................................................................................................... .................................. 11 4.3 AFOROS ...................................................................... ................................................................................................................................. ........................................................... 13 4.3.1 Secciones de aforo..................................................................................................................... 14 4.3.2 Metodología de aforo empleada................................................................................................ 16 4.3.2.1 4.3.2.2
4.3.3 4.3.4
Instrumental empleado .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 16 Descripción del procedimiento de medición ................... ..................... ...................... ..................... . 16
Cálculo del caudal..................................................................................................................... 17 Resultados.................................................................................................................................. 19
4.3.4.1 4.3.4.2
Caudales ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 19 Distribución de velocidades ................... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 21
4.4 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO EXPEDITIVO ................................................................... ............................................................................ ......... 23 4.4.1 4.4.2
Instrumental empleado ........................................................ ...................................................... 24 Sectores relevados ..................................................... ........................................................... ..... 24
4.4.2.1 4.4.2.2
Estructuras de aforo (canaletas Parshall) ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 24 Tramos aforados con minimolinete ................... ..................... ..................... ...................... ............... 25
............................................................................................................... ................................................................ ..... 27 4.4.2.2.1 Resultados ....................................................
4.5 MODELOS NUMÉRICOS EMPLEADOS .................................................................... ......................................................................................... ..................... 29 4.5.1
Modelo HEC-RAS...................................................................................................................... 29
4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3
Introducción .................. ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 29 Características del modelo................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 30 Base teórica del flujo unidimensional .................. ...................... ..................... ..................... ............ 31
4.5.1.3.1 Flujo permanente .................................................... .......................................................................................................... ...................................................... 31 4.5.1.3.1.1 4.5.1.3.1.2 4.5.1.3.1.3 4.5.1.3.1.4 4.5.1.3.1.5 4.5.1.3.1.6 4.5.1.3.1.7 4.5.1.3.1.8 4.5.1.3.1.9 4.5.1.3.1.10
Ecuaciones para el cálculo del pelo libre ................... ..................... ...................... ............... 31 Subdivisión de la sección transversal y cálculo de la conductividad .................... ............... 32 Coeficiente de rugosidad compuesto en el canal principal............................. ..................... . 33 Evaluación de la altura media de velocidades.. ..................... ..................... ..................... ..... 34 Evaluación de las pérdidas por fricción ..................... ..................... ...................... ............... 35 Evaluación de las pérdidas por contracción y expansión .................... ..................... ............ 36 Procedimiento computacional. ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 36 Determinación de la profundidad crítica .................... ..................... ...................... ............... 37 Aplicación Aplicación de la ecuación ecuación de cantidad cantidad de movimiento movimiento ................. ......................... ................ ................. ................. .............. ...... 38 Limitaciones del módulo de flujo permanente .................... ..................... ..................... ..... 41
4.5.1.3.2 Simulación de flujo impermanente ....................................................... ................................................................................ ......................... 42 4.5.2
Programa SWMM...................................................................................................................... 42
4.5.2.1
Módulo EXTRAN (EXTended TRANsport)....................... ..................... ..................... ................... 43
4.5.2.1.1 Introducción ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 43 4.5.2.1.2 Representación conceptual del sistema......................................................... sistema........................................................................ ............... 44 4.5.2.2
Ecuaciones para flujo no permanente ................... ...................... ..................... ..................... ............ 45
................................................................................................................ ................................................................ ..... 45 4.5.2.2.1 Deducción ..................................................... 4.5.2.2.1.1 4.5.2.2.1.2
Continuidad.................. ..................... ...................... ..................... ..................... ................... 45 Cantidad de movimiento ................... ...................... ..................... ..................... ................... 46
4.5.2.2.2 Ecuaciones empleadas por EXTRAN .................................................. ........................................................................... ......................... 47 4.5.2.2.2.1 4.5.2.2.2.2 4.5.2.2.2.3 4.5.2.2.2.4
Ecuación de continuidad ................... ...................... ..................... ..................... ................... 47 Ecuación dinámica ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 47 Fricción ..................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... . 49 Diferencias finitas ................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 49
4.5.2.2.3 Estabilidad numérica........................... numérica...................................................................................... .......................................................................... ............... 50
EDGAR M. CASTELLÓ
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
ÍNDICE 1
INTRODUCCIÓN..................... INTRODUCCIÓN...................................... .................................. .................................. ................................... ............................... ............. 1
2
OBJETIVOS OBJETIVOS .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ......................... ........ 3 2.1 OBJETIVOS PLANTEADOS INICIALMENTE........................................................................... ...................................................................................... ........... 3 2.2 TAREAS INCORPORADAS ....................................................................... ........................................................................................................... .................................... 4
3
METODOLOGÍA......................... METODOLOGÍA.......................................... .................................. .................................. .................................. ............................ ........... 5
4
APLICACIÓN APLICACIÓN Y ANÁLISIS ANÁLISIS DE RESULTADOS........................... RESULTADOS............................................. ............................... ............. 7 4.1 APROVISIONAMIENTO DE AGUA DEL GRAN CÓRDOBA .................................................................. 7 4.1.1 Subsistema Suquía ..................................................... ........................................................... ....... 8 4.1.2 Subsistema Xanaes ...................................................................................................................... 9 4.2 DESCRIPCIÓN DE LA OBRA ..................................................................... ....................................................................................................... .................................. 11 4.3 AFOROS ...................................................................... ................................................................................................................................. ........................................................... 13 4.3.1 Secciones de aforo..................................................................................................................... 14 4.3.2 Metodología de aforo empleada................................................................................................ 16 4.3.2.1 4.3.2.2
4.3.3 4.3.4
Instrumental empleado .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 16 Descripción del procedimiento de medición ................... ..................... ...................... ..................... . 16
Cálculo del caudal..................................................................................................................... 17 Resultados.................................................................................................................................. 19
4.3.4.1 4.3.4.2
Caudales ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 19 Distribución de velocidades ................... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 21
4.4 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO EXPEDITIVO ................................................................... ............................................................................ ......... 23 4.4.1 4.4.2
Instrumental empleado ........................................................ ...................................................... 24 Sectores relevados ..................................................... ........................................................... ..... 24
4.4.2.1 4.4.2.2
Estructuras de aforo (canaletas Parshall) ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 24 Tramos aforados con minimolinete ................... ..................... ..................... ...................... ............... 25
............................................................................................................... ................................................................ ..... 27 4.4.2.2.1 Resultados ....................................................
4.5 MODELOS NUMÉRICOS EMPLEADOS .................................................................... ......................................................................................... ..................... 29 4.5.1
Modelo HEC-RAS...................................................................................................................... 29
4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3
Introducción .................. ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 29 Características del modelo................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 30 Base teórica del flujo unidimensional .................. ...................... ..................... ..................... ............ 31
4.5.1.3.1 Flujo permanente .................................................... .......................................................................................................... ...................................................... 31 4.5.1.3.1.1 4.5.1.3.1.2 4.5.1.3.1.3 4.5.1.3.1.4 4.5.1.3.1.5 4.5.1.3.1.6 4.5.1.3.1.7 4.5.1.3.1.8 4.5.1.3.1.9 4.5.1.3.1.10
Ecuaciones para el cálculo del pelo libre ................... ..................... ...................... ............... 31 Subdivisión de la sección transversal y cálculo de la conductividad .................... ............... 32 Coeficiente de rugosidad compuesto en el canal principal............................. ..................... . 33 Evaluación de la altura media de velocidades.. ..................... ..................... ..................... ..... 34 Evaluación de las pérdidas por fricción ..................... ..................... ...................... ............... 35 Evaluación de las pérdidas por contracción y expansión .................... ..................... ............ 36 Procedimiento computacional. ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 36 Determinación de la profundidad crítica .................... ..................... ...................... ............... 37 Aplicación Aplicación de la ecuación ecuación de cantidad cantidad de movimiento movimiento ................. ......................... ................ ................. ................. .............. ...... 38 Limitaciones del módulo de flujo permanente .................... ..................... ..................... ..... 41
4.5.1.3.2 Simulación de flujo impermanente ....................................................... ................................................................................ ......................... 42 4.5.2
Programa SWMM...................................................................................................................... 42
4.5.2.1
Módulo EXTRAN (EXTended TRANsport)....................... ..................... ..................... ................... 43
4.5.2.1.1 Introducción ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 43 4.5.2.1.2 Representación conceptual del sistema......................................................... sistema........................................................................ ............... 44 4.5.2.2
Ecuaciones para flujo no permanente ................... ...................... ..................... ..................... ............ 45
................................................................................................................ ................................................................ ..... 45 4.5.2.2.1 Deducción ..................................................... 4.5.2.2.1.1 4.5.2.2.1.2
Continuidad.................. ..................... ...................... ..................... ..................... ................... 45 Cantidad de movimiento ................... ...................... ..................... ..................... ................... 46
4.5.2.2.2 Ecuaciones empleadas por EXTRAN .................................................. ........................................................................... ......................... 47 4.5.2.2.2.1 4.5.2.2.2.2 4.5.2.2.2.3 4.5.2.2.2.4
Ecuación de continuidad ................... ...................... ..................... ..................... ................... 47 Ecuación dinámica ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 47 Fricción ..................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... . 49 Diferencias finitas ................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 49
4.5.2.2.3 Estabilidad numérica........................... numérica...................................................................................... .......................................................................... ............... 50
EDGAR M. CASTELLÓ
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
4.5.2.2.3.1 4.5.2.2.3.2
Restricción en el paso de tiempo.............. ...................... ..................... ..................... ............ 50 Conductos equivalentes .................... ...................... ..................... ..................... ................... 51
.............................................................................................................. ...................................................... 51 4.5.2.2.4 Flujo a presión ........................................................ ............................................................................. ......................... 53 4.5.2.2.5 Soluciones adicionales de EXTRAN ....................................................
Método explícito mejorado ................... ..................... ..................... ...................... ............... 53 Método Iterativo ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 54 Recomendaciones para la preparación de datos ..................... ..................... ...................... ............... 56
4.5.2.2.5.1 4.5.2.2.5.2 4.5.2.3
4.6 APLICACIÓN DE LOS MODELOS NUMÉRICOS ..................................................................... .............................................................................. ......... 57 4.6.1
Análisis de Sensibilidad Geométrica del Modelo HEC-RAS ..................................................... 57
4.6.1.1 4.6.1.2 4.6.1.3
4.6.2
Planteo del problema .................... ..................... ..................... ..................... ...................... ............... 57 Parámetros adoptados........ ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 57 Resultados obtenidos..... ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........ 58
Calibración de la rugosidad...................................................................................................... 60
4.6.2.1 4.6.2.2 4.6.2.3
Formulación empleada .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 60 Coeficiente rugosidad de Manning......... ...................... ..................... ..................... ..................... ..... 61 Calibración del “n” de Manning...... ..................... ...................... ..................... ..................... ............ 62
4.6.2.3.1 4.6.2.3.2 4.6.2.3.3 4.6.2.3.4 4.6.3
Aplicación de HEC-RAS y SWMM ....................................................... ................................................................................ ......................... 63 Representación de las transiciones ..................................................... .............................................................................. ......................... 64 Relación entre niveles, caudales y rugosidades para cada sifón.................................. 65 Determinación de la rugosidad ................................................... ..................................................................................... .................................. 66
Simulación hidráulica................................................................................................................ 69
4.6.3.1 4.6.3.2 4.6.3.3 4.6.3.4
Geometría de proyecto del canal Los Molinos – Córdoba.................... ...................... ..................... . 70 Geometría de proyecto con las rugosidades actuales.............. ..................... ...................... ............... 73 Situación actual ..................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... . 76 Escenarios futuros .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ................... 78
izquierdo ............................................................................... ......................... 79 4.6.3.4.1 Reparación del conducto izquierdo...................................................... 4.6.3.4.2 Construcción de un puente canal...................................... canal.................................................................................. ............................................ 81 4.6.4
Modelación hidrodinámica........................................................................................................ 83
4.6.4.1 4.6.4.2
Simulación en HEC-RAS......... ..................... ...................... ..................... ..................... ................... 83 Simulación en SWMM............. ..................... ...................... ..................... ..................... ................... 83
4.6.4.2.1 Tiempos de traslado ......................................................... ..................................................................................................... ............................................ 84
5
CONCLUSIONES CONCLUSIONES Y RECOMENDACI RECOMENDACIONES ONES ................................. .................................................. ...........................87 ..........87 5.1 CONSIDERACIONES GENERALES ......................................................................... .............................................................................................. ..................... 87 5.1.1 Aforometría................................................................................................................................ 87 5.1.2 Topografía ....................................................... ........................................................... ............... 87 5.1.3 Calibración del coeficiente de fricción...................................................................................... 88 5.1.4 Modelos numéricos empleados.................................................................................................. 89 5.1.5 Análisis de sensibilidad ....................................................... ...................................................... 89 5.1.6 Simulación hidrodinámica......................................................................................................... 90 5.2 CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL .................................................................... ......................................................................................... ..................... 91 5.3 CONSIDERACIONES ADICIONALES........................................................................ ............................................................................................. ..................... 92
6
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................93
7
ANEXO A: RELEVAMIE RELEVAMIENTO NTO................. .................................. ................................... ................................... ................................9 ...............966 7.1 TRAMO A.................................................................................. A................................................................................................................................ .............................................. 97 7.2 TRAMO B.................................................................................. B.............................................................................................................................. ............................................ 111
8
ANEXO B: PLANILLAS PLANILLAS DE AFOROS.............................. AFOROS............................................... .................................. ......................123 .....123 8.1 ZONA 1. ENTRE PROG. 2123,9 Y PROG. 2284,9. ................................................................... 123 8.1.1 Estación de aforo Nº 1. Progresiva 2159. Sección rectangular. ............................................. 123 8.1.2 Estación de aforo Nº 2. Progresiva 2210. Sección rectangular. ............................................. 123 8.2 ZONA 2. ENTRE PROG. 10514 Y PROG. 10767. ..................................................................... 124 8.2.1 Estación de aforo Nº 3. Progresiva 10514. Sección tolva. ................................................... ... 124 8.2.2 Estación de aforo Nº 4. Progresiva 10767. Sección tolva. ................................................... ... 124 8.3 ZONA 3. ENTRE PROG. 17127,5 Y PROG. 17402,6. ............................................................... 125 8.3.1 Estación de aforo Nº 5. Progresiva 17127. Sección tolva. ................................................... ... 125 8.3.2 Estación de aforo Nº 6. Progresiva 17402. Sección tolva. ................................................... ... 126
9
ANEXO C: PLANILLAS DEL RELEVAMIENTO RELEVAMIENTO TOPOGRÁFICO......... TOPOGRÁFICO .................. .................. .........127 127 9.1 ZONA 1. ENTRE PROG. 2123,9 Y PROG. 2284,9. ................................................................... 127
EDGAR M. CASTELLÓ
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
9.2 ZONA 2. ENTRE PROG. 10514 Y PROG. 10767. ..................................................................... 127 9.3 ZONA 3. ENTRE PROG. 17127,5 Y PROG. 17402,6. ............................................................... 128
10
ANEXO D: SENSIBILIDAD GEOMÉTRICA MODELO HEC-RAS........................129
10.1 PENDIENTE DE FONDO S1 = 0.0001 ....................................................................................... 129 10.2 PENDIENTE DE FONDO S1 = 0.0002 ....................................................................................... 131
11
ANEXO E: CALIBRACIÓN DEL COEFICIENTE DE MANNING ..........................133
11.1 RELACIONES ENTRE TIRANTES, RUGOSIDADES Y CAUDALES A LA ENTRADA Y SALIDA DE CADA SIFÓN DEL TRAMO DE CALIBRACIÓN ......................................................................................................... 133 11.2 PERFIL LONGITUDINAL SIMULADO PARA DIFERENTES COEFICIENTES DE MANNING. CONTRASTE CON 3 NIVELES OBSERVADOS PARA Q = 1,95 M / S.................................................................................... 134 11.3 PERFIL LONGITUDINAL SIMULADO PARA DIFERENTES COEFICIENTES DE MANNING. CONTRASTE CON 3 NIVELES OBSERVADOS PARA Q = 2,65 M / S.................................................................................... 136 11.4 COMPARACIÓN DEL NIVEL DE AGUA OBSERVADO CON LOS TIRANTES SIMULADOS PARA CADA UNA 3 DE LAS SECCIONES DE MEDICIÓN. Q = 1,95 M / S............................................................................. 138 11.5 COMPARACIÓN DEL NIVEL DE AGUA OBSERVADO CON LOS TIRANTES SIMULADOS PARA CADA UNA 3 DE LAS SECCIONES DE MEDICIÓN. Q = 2,65 M / S............................................................................. 139
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Lista de Figuras Figura 1: Sistema de la laguna Mar Chiquita, en la provincia de Córdoba. ....................... 7 Figura 2: Subsistemas Suquía y Xanaes. ......................................................................... 8 Figura 3: Ubicación del canal Los Molinos – Córdoba......................................................10 Figura 4. Principales secciones del canal. .......................................................................12 Figura 5: Ubicación de las estaciones de aforo................................................................14 Figura 6: Cálculo del caudal empleando los datos del aforo. ...........................................18 Figura 7: Curva H-Q, canaleta Parshall, azud La Quintana..............................................20 Figura 8: Distribución de velocidades típica en un canal rectangular (Chow, 1994). ........21 Figura 9: Curvas de igual velocidad para diferentes secciones de canal (Chow, 1994). ..21 Figura 10: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.1 y E.2.........................22 Figura 11: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.3 y E.4.........................22 Figura 12: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.5 y E.6.........................23 Figura 13: Ubicación de las canaletas Parshall (C.P.)......................................................24 Figura 14: Planta de las canaletas Parshall. ....................................................................25 Figura 15: Perfiles longitudinales relevados.....................................................................25 Figura 16: Puntos relevados en cada sección..................................................................26 Figura 17: Representación de los términos de la ecuación de energía. ...........................31 Figura 18: Subdivisión utilizada por HEC-RAS para cada sección transversal.................33 Figura 19: Método alternativo para el cálculo de la conductividad (usado por HEC-2).....33 Figura 20: Ejemplo de la obtención de la energía media..................................................34 Figura 21: Gráfico de energía vs. elevación de la superficie de agua. .............................38 Figura 22: Aplicación del principio de cantidad de movimiento. .......................................39 Figura 23: Representación conceptual del modelo EXTRAN. ..........................................44 Figura 24: Continuidad en flujo no permanente................................................................45 Figura 25: Representación simplificada de la pérdida de energía en flujo no permanente. .................................................................................................................................46 Figura 26. Variación porcentual de e N en función del número de puntos, para diferentes caudales (pendiente 0,0002 y coeficiente de Manning 0,018)...................................59 Figura 27. Variación porcentual de e N en función del número de puntos, para diferentes coeficientes de Manning (pendiente 0,0002 y caudal 6,00 m 3 /s)...............................59 Figura 28: Ubicación de los puntos de medición para caudal de 1,95 m 3 /s......................63 Figura 29: Tirantes en entrada del sifón Anizacate en función del “n” de Manning...........66 Figura 30: Perfil longitudinal para caudal 1,95 m 3 /s y coeficiente de Manning 0,025........66 Figura 31: Perfil longitudinal para caudal 2,65 m 3 /s y coeficiente de Manning 0,025........67 Figura 32: Determinación del coeficiente de Manning por sección de medición...............68 Figura 33: Variación de la suma de las diferencias en función del “n” de Manning. .........68 Figura 34: Perfil longitudinal total para 7,00 m 3 /s con geometría de proyecto. .................72 Figura 35: Perfil longitudinal Tramo B, desborde para 7,00 m 3 /s, geometría de proyecto.72 Figura 36: Sifón Anizacate, Curvas H-Q de entrada y salida para geometría de proyecto. .................................................................................................................................73 Figura 37: Sifón Anizacate, perfil longitudinal para secciones de proyecto, caudal 12 m 3 /s. .................................................................................................................................73 Figura 38: Desbordes en el Tramo B para 5,00 m 3 /s, con geometría de proyecto y coeficientes de Manning calibrados. .........................................................................75 Figura 39: Sifón Anizacate, Curvas H-Q con las secciones de proyecto y n = 0,0256......75 Figura 40: Sifón Anizacate, perfil longitudinal para caudal de 8,00 m 3 /s para geometría de diseño y rugosidades actuales..................................................................................75 Figura 41: Curvas H-Q del sifón Anizacate para la situación actual. ................................77 Figura 42: Sifón Anizacate, situación actual, perfil longitudinal para caudal de 4,00 m 3 /s. .................................................................................................................................77
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Figura 43: Protección de los conductos en el cauce del río Anizacate. Corte transversal. .................................................................................................................................80 Figura 44: Protección de los conductos en el cauce del río Anizacate. Perfil longitudinal. .................................................................................................................................80 Figura 45: Sección predimensionada para el puente canal..............................................81 Figura 46: Perfil longitudinal de la modelación hidráulica del puente canal para 8,00 m 3 /s y coeficiente de Manning de 0,015 (con limpieza). ......................................................82 Figura 47: Perfil longitudinal de la modelación hidráulica del puente canal para 6,00 m 3 /s y coeficiente de Manning de 0,0256 (sin limpieza).......................................................82 Figura 48: Hidrogramas de entrada para la simulación impermanente. ...........................85 Figura 49: Propagación del hidrograma Tipo 1 para la situación actual. ..........................85 Figura 50: Propagación del hidrograma Tipo 2 para la situación actual. ..........................86 Figura 51: Ubicación de los tramos del canal Los Molinos – Córdoba sobre base IGM. ..96 Figura 52: Ubicación y características del Tramo A - primera parte de Prog 0 a 20000. ..97 Figura 53. Sección tolva Tramo A..................................................................................100 Figura 54: Ubicación y características del Tramo A - segunda parte Prog 20000 a 41000. ...............................................................................................................................104 Figura 55. Sección tolva Tramo B..................................................................................112 Figura 56: Ubicación y características del Tramo B. ......................................................112
Lista de Tablas Tabla 1: Características de las estaciones de aforos. ......................................................15 Tabla 2: Caudales resultantes en las estaciones de aforo. ..............................................19 Tabla 3: Valores de la ley H-Q para la canaleta Parshall del azud La Quintana...... .........20 Tabla 4: Planilla tipo empleada para el levantamiento topográfico...................................26 Tabla 5: Comparación entre los tirantes observados y simulados para los diferentes valores de Manning y caudales aforados..................................................................68 Tabla 6: Relaciones altura – caudal de los sifones según geometría de proyecto............71 Tabla 7: Relaciones altura – caudal de los sifones con geometría de proyecto con la rugosidad actual. ......................................................................................................74 Tabla 8: Relaciones altura – caudal de la situación actual del sifón Anizacate y los situados aguas arriba del mismo. .............................................................................76 Tabla 9: Capacidades por sectores del canal para diferentes valores de rugosidad. .......79 Tabla 10: Resumen de los resultados de la propagación del hidrograma Tipo 1..............86
EDGAR M. CASTELLÓ
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
1 INTRODUCCIÓN Los requerimientos de agua para el área del Gran Córdoba son satisfechos principalmente desde la cuenca del río Suquía, y en una menor proporción, por la cuenca del río Xanaes mediante el trasvase materializado por el canal Los Molinos – Córdoba. Dada la ubicación geográfica, el sistema de aprovisionamiento de agua fue previsto en un principio sobre el Suquía, pero debido al crecimiento demográfico de la ciudad se decidió a finales de la década del 60 aumentar la disponibilidad del recurso por medio del canal Los Molinos – Córdoba. Lamentablemente este trasvase, desde su concepción hasta la actualidad, nunca pudo proporcionar las condiciones de seguridad y operatividad necesarias para las exigencias del sistema del Gran Córdoba. Durante los pocos años de operación (desde 1993), el canal ha sufrido múltiples roturas a lo largo de sus 62 Km que han disminuido progresivamente su capacidad de conducción. Las causas que han originado la pérdida de capacidad de conducción del canal son múltiples (S/MW, 1999). Uno de los sectores más críticos, debido a la envergadura y mayor complejidad de la obra, es el sifón bajo el río Anizacate el cual está compuesto por dos conductos, uno de los cuales se encuentra totalmente fuera de servicio presumiéndose que su rotura se produjo antes de la puesta en operación del mismo. El otro conducto, actualmente en funcionamiento, fue revestido interiormente con hormigón armado reduciéndose el diámetro interno del proyecto original con la consiguiente pérdida de eficiencia. Además, en los últimos 40 Km aproximadamente, el canal se encuentra fundado sobre suelo loéssico característico en esta región por su susceptibilidad de colapso ante la presencia de agua. También cabe mencionar el ingreso lateral de los excedentes pluviales generados en las cuencas interceptadas por el canal. Esto provoca la acumulación de sedimentos en el fondo, el crecimiento de algas, y desbordes con la consecuente acumulación de agua en las inmediaciones del mismo y una importante sobrecarga para su estructura. Los inconvenientes enunciados muestran que la capacidad actual del canal es inferior a la adoptada para su diseño, y también menor a la necesaria para satisfacer las necesidades de agua del Gran Córdoba para el corto y mediano plazo. Diversos estudios de planificación de los recursos hídricos realizados en los últimos años por la Universidad Nacional de Córdoba (UNC), entre los que se destacan los trabajos de Rodriguez et al. (1999), Castelló et al. (2000) y Moya et al. (2002), acentúan que los aportes de la cuenca del Xanaes permitirán que en los próximos años las necesidades de agua para el Gran Córdoba sean satisfechas con mayor seguridad, reduciendo la ocurrencia de periodos críticos. A nivel mundial, en los últimos años se ha recurrido a optimizar o mejorar la eficacia y eficiencia de las obras existentes relacionadas a los recursos hídricos, debido a las grandes inversiones necesarias que demandan este tipo de obras. Considerando que las características de las cuencas del Suquía y Xanaes son similares, y que además, ésta última no presenta el grado de requerimientos de la primera, dada la vital importancia del canal Los Molinos – Córdoba, es conveniente analizar diferentes alternativas de consolidación del trasvase, ya sea mejorando, reparando o anexando obras a este canal. Las tareas desarrolladas en el marco de la presente tesis permitieron especificar gran parte del funcionamiento hidráulico de esta obra. Necesariamente, debido a la complejidad del sistema en su conjunto y al deterioro actual en algunos tramos, requiere EDGAR M. CASTELLÓ
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de un relevamiento topográfico de detalle, además de un incremento en las mediciones de caudal, que permitan lograr un mejor ajuste de los diferentes parámetros hidráulicos involucrados. A pesar de estos inconvenientes fue establecida la capacidad hidráulica actual y futura del canal en algunos de sus tramos, destacándose los resultados arribados para la situación de proyecto de la obra.
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2 OBJETIVOS Es pertinente destacar el marco institucional en el cual se han encuadrado las tareas del presente plan de tesis. Además de los organismos financiadores, la Agencia Córdoba Ciencia S.E. (ACC) y la Empresa Aguas Cordobesas S.A. (AACC), en este plan de beca han participado varias instituciones, principalmente, el Departamento de Estudios y Proyectos de la Dirección Provincial de Agua y Saneamiento (DiPAS), el Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC). Cada una de estas instituciones con sus correspondientes objetivos e intereses específicos, motivó la búsqueda del acuerdo entre las partes, para el mejor desarrollo de las actividades técnicas concretas relacionadas con el canal Los Molinos – Córdoba. Ante la necesidad planteada en la segunda mitad del año 2001 entre la empresa Aguas Cordobesas y la Provincia (a través de DiPAS), respecto de la reparación y mantenimiento de las obras de abastecimiento para agua potable al Gran Córdoba, fue solicitada la participación del autor puntualmente en el estudio del cruce del río Anizacate, debido a la importancia de ésta como componente vital del canal analizado. En esta primera etapa se contó con un apoyo absoluto por parte de los organismos técnicos mencionados, tanto en la provisión de los elementos necesarios como de los estudios especializados, para el posterior planteo de alternativas de cruce para dicho río. Por motivo del desarrollo del análisis de las obras necesarias en el río Anizacate, las etapas relacionadas al plan de tesis original fueron modificadas ligeramente. Pero los mayores inconvenientes surgieron a finales del año 2001 debido a los conflictos ya conocidos a escala nacional, cuyos problemas económico-financieros repercutieron sobre el sector público y empresarial, demorando los relevamientos del canal (topografía y aforos) que debieron estar a cargo de la empresa AACC y de la DiPAS. Hecha esta aclaración, se presentan a continuación los objetivos planteados inicialmente y los que fueron agregados para los estudios en el tramo correspondiente al cruce del río Anizacate.
2.1 OBJETIVOS PLANTEADOS INICIALMENTE La presente tesis fue desarrollada en el marco de una beca para el Sector Productivo otorgada por la Agencia Córdoba Ciencia y la empresa Aguas Cordobesas SA. El objetivo general planteado para esta beca fue la determinación de la capacidad hidráulica del canal Los Molinos – Córdoba a lo largo de su traza, para el cual sería realizado un estudio detallado de las tres situaciones indicadas a continuación: • • •
Situación actual, sin limpieza. Con limpieza del canal, sin obras adicionales. Con obras adicionales de mejoramiento y rehabilitación.
Este análisis permitiría estimar el Cronograma de Obras necesarias para generar un aumento paulatino en la capacidad de conducción del canal. También se completarían modelaciones hidrodinámicas para determinar la ubicación y operación óptima de compuertas aprovechando el almacenamiento lineal de este canal de más de 60 Km.
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2.2 TAREAS INCORPORADAS Durante los primeros meses del año 2001, las autoridades de la provincia solicitaron a la empresa Aguas Cordobesas la evaluación de las obras necesarias para la "desfragilización" del trasvase materializado por el canal Los Molinos – Córdoba. El Departamento de Estudios y Proyectos de la DiPAS, inició en los últimos años el estudio de las obras para la desfragilización y recuperación de la capacidad hidráulica de este canal en los diferentes sectores donde se ha visto reducida por múltiples causas. Basado en los antecedentes de la DiPAS, personal de la empresa Aguas Cordobesas fue destinado al anteproyecto general de las obras mencionadas; mientras que en la evaluación del cruce del río Anizacate fue solicitada la participación del presente trabajo, debido a la vinculación directa del tema y, a fin de fortalecer el nexo entre la empresa y la Provincia por ser los organismos financiadores. Se menciona, además, que la etapa de análisis de alternativas motivó la puesta en marcha de estudios académicos adicionales en el Laboratorio de Hidráulica (incluyendo tareas de relevamiento y aforos a cargo del personal, y el Trabajo Final de la Carrera de Ingeniería Civil del Ing. Zurita P.).
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3 METODOLOGÍA Para el cumplimiento de los objetivos se plantearon las siguientes etapas: a) Recopilación, clasificación y análisis de antecedentes disponibles sobre el canal Los Molinos – Córdoba. -
-
Documentación disponible en la DiPAS sobre el proyecto y construcción del mismo. Planimetría y perfiles longitudinales y transversales de las obras durante las etapas de proyecto y construcción. Planimetría general del terreno: cartas del IGM en Escala 1:50.000. Imágenes Satelitales LANDSAT 5 y 7 229 -82 de diferentes fechas de toma disponibles en el Laboratorio de Hidráulica de la UNC. Documentación de la empresa Aguas Cordobesas S.A. y Safege / MontgomeryWatson. Material cartográfico elaborado por distintas entidades (DiPAS, CIRSA, etc.).
b) Reconocimiento de campo e inspección ocular en toda la traza del canal, incluyendo: - Relevamientos fotográficos. - Definición de los tramos del canal que presentan dificultades de cualquier orden para la capacidad hidráulica del mismo. - Relevamiento de los problemas existentes. Análisis de las posibles causas de dichos problemas. - Relevamiento y análisis de datos aportados por lugareños. - Información disponible de la operación del Canal. c) Mediciones de caudal en distintos puntos ubicados estratégicamente en el canal. Con la coordinación y supervisión del autor, estas tareas estuvieron a cargo conjuntamente de la empresa Aguas Cordobesas y la DiPAS, para planificar las fechas y horas en las cuales se operaban las compuertas de entrada al canal, en el azud La Quintana. d) Relevamiento topográfico de todo el canal. Para poder realizar un trabajo acorde a la situación actual de la obra es necesario realizar un relevamiento topográfico de todo el canal, incluyendo el perfil longitudinal del mismo y la ejecución de perfiles transversales en la cantidad necesaria para la calibración del modelo hidráulico. e) Implementación de un modelo hidráulico e hidrodinámico. Este modelo permite simular el escurrimiento a lo largo de todo el canal para los caudales definidos. Posteriormente se emplea dicho modelo para establecer el caudal máximo que es posible transitar en los distintos escenarios del canal. Así, sucesivamente, puede utilizarse el mismo modelo calibrado para obtener el caudal máximo después de una limpieza del canal y por último, para estimar el máximo caudal posible de conducir después de la construcción de obras de mejoramiento y rehabilitación. Esta etapa permitiría establecer el cronograma de obras necesarias para el aumento progresivo de la capacidad del canal. Posteriormente se implementó un modelo de flujo no permanente, para analizar los almacenamientos lineales y las ondas generadas por el cierre y apertura de las compuertas, respectivamente, determinando la ubicación y operación óptima de las mismas. EDGAR M. CASTELLÓ
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f) Alternativas de cruce del río Anizacate. Para el análisis de las alternativas de cruce del río Anizacate fueron evaluadas como punto de partida las propuestas de solución elaboradas por la DiPAS. Paralelamente, fue solicitado un relevamiento topográfico de detalle y un estudio geomorfológico del río en la zona del cruce. Estos dos últimos trabajos estuvieron a cargo de la empresa Aguas Cordobesas bajo la supervisión del autor en las tareas de campaña.
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4 APLICACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1 APROVISIONAMIENTO DE AGUA DEL GRAN CÓRDOBA La ciudad de Córdoba y su zona de influencia se encuentra comprendida dentro de la región central de la provincia homónima, con una población de aproximadamente 1.100.000 habitantes en la capital, llegando a un total de 1.400.000 en lo que se denomina área del Gran Córdoba. El abastecimiento de agua para esta región se realiza en forma directa de la cuenca del río Suquía, cuyo almacenamiento principal de excedentes hídricos superficiales es el embalse San Roque. Esta fuente se encuentra con un elevado grado de deterioro en su calidad debido fundamentalmente al crecimiento desmedido de la población aguas arriba del mismo y a la insuficiencia en el tratamiento de sus efluentes. El canal Los Molinos - Córdoba materializa el trasvase de agua desde la cuenca del río Xanaes, aportando al abastecimiento de gran parte de la zona sur de la ciudad de Córdoba. Ambas cuencas, del Suquía y Xanaes pertenecen al sistema endorreico más importante del país, la laguna de Mar Chiquita. En la Figura 1 puede apreciarse la ubicación de este sistema dentro de la región central de la provincia de Córdoba.
R . D E L A S U E L A
L A J A S
G R . R A A L C T I A A R . A N I Z A C A T E
R.DE LOS ESPINILLOS
N T A Y A R.
R.SEGUNDO R.DELMEDI O
S E T EAR S R L O R.D E
ESCALAGRAFICA 0 50
100
150 Km
Figura 1: Sistema de la laguna Mar Chiquita, en la provincia de Córdoba. EDGAR M. CASTELLÓ
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Es necesario destacar que las zonas altas y medias de estas cuencas se localizan en una región semiárida, que según los registros históricos las precipitaciones anuales medias llegan a 700 mm. Además, se debe considerar que la mayoría de los usos del recurso como fuente principal de agua potable, riego, turismo y en menor medida aprovechamiento hidroeléctrico, en la ciudad de Córdoba, son dependientes fundamentalmente de los recursos hídricos superficiales. Otro aspecto que también debe tenerse en cuenta es el aumento de los usos consuntivos en la principal cuenca de aporte (Suquía), tanto aguas arriba de lago San Roque (Valle de Punilla) como aguas abajo en el Departamento Capital y Colón (Gran Córdoba), por incremento del turismo y de la población estable, respectivamente. La Figura 2 muestra la ubicación de los mencionados embalses y sus respectivos subsistemas respecto de la ciudad capital. En las siguientes secciones se describen brevemente los subsistemas de estas dos cuencas y su provisión al Gran Córdoba, haciendo énfasis en el subsistema Xanaes debido que el trasvase y su obra son motivo de la presente tesis de Maestría.
LA CALERA
DPTO. CRUZ DEL EJE
DPTO. COLON DPTO. CAPITAL
EMBALSE SAN ROQUE Río Suquía
CORDOBA
CARLOS PAZ
DPTO. RIO PRIMERO
DPTO. PUNILLA
RIO SEGUNDO
RAFAEL GARCIA
DPTO. SAN ALBERTO
ALTA GRACIA
S O L S L O A I N N L A O C M
PILAR Río Xanaes
DPTO. RIO SEGUNDO
DESPEÑADEROS EMBALSE LOS MOLINOS
DPTO. SANTA MARIA N A S .
O T P D
R EI V A J
0
10
20
30
40
50 Km
Figura 2: Subsistemas Suquía y Xanaes.
4.1.1 Subsistema Suquía El sistema de aprovisionamiento de agua para la ciudad de Córdoba posee como principal reservorio al embalse formado por el dique San Roque. Los excedentes de este
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dique pueden evacuarse por un vertedero (tipo Morning Glory) o dos válvulas de chorro hueco, como descargas de fondo. Posee una obra de toma a una profundidad levemente inferior a la de las válvulas. A partir de la obra de toma el agua es derivada hacia la central homónima mediante un conducto forzado de sección circular con caudal máximo a transportar de 24 m 3 /s. Una vez que el caudal extraído ha sido turbinado, es descargado nuevamente en el cauce del río Suquía, donde se une a los provenientes del dique y que han sido descargados por vertedero o válvulas, recientemente reparadas. Luego de esta unión el agua transita por el cauce natural del río hasta el azud derivador El Diquecito, en el cual por medio de una obra de toma ubicada en el lateral derecho de dicho azud deriva las aguas hacia la central hidroeléctrica La Calera. También desde el mismo conducto, por medio de otra tubería, se derivan las aguas necesarias para el aprovisionamiento de agua potable a las localidades de La Calera, Dumesnil y parte de Saldán y Villa Allende. Una vez que los caudales pasan a través de la central son descargados a un canal a cielo abierto que se comunica con el río Suquía, en el cual también vierte sus aguas un curso de agua no permanente denominado Arroyo Del Molino. Sobre este canal se encuentran las tomas que alimentan mediante conductos independientes las plantas potabilizadoras Suquía y Alto Alberdi, que satisfacen los requerimientos de agua potable para más de dos tercios del Gran Córdoba. Las aguas evacuadas en la central La Calera y que no han sido derivadas a las plantas potabilizadoras, son devueltas nuevamente por medio de un canal a cielo abierto al cauce natural del río Suquía, uniéndose en este punto a las aguas provenientes del azud derivador El Diquecito. A partir de este punto y luego de recorrer una distancia de 2,50 Km, en la localidad de Dumesnil, el río se encuentra con el dique nivelador Mal Paso, obra de cabecera del sistema de riego del Cinturón Verde de la ciudad Capital, donde nacen los canales Maestros Norte y Sur. Cabe destacar que desde hace varios años a la fecha, el canal Maestro Sur no conduce agua desde el dique Mal Paso. A partir del dique Mal Paso el río Suquía sigue su curso natural interceptando a pocos kilómetros al arroyo Saldán en la margen izquierda, y en el centro de la ciudad de Córdoba recibe las aguas del arroyo La Cañada en la margen derecha. 4.1.2 Subsistema Xanaes Si bien en forma natural no existe conexión entre la ciudad de Córdoba y el Subsistema Xanaes, esta se encuentra materializada por medio del canal Los Molinos – Córdoba, que permite el trasvase de las aguas provenientes de la cuenca del Xanaes hacia las del Suquía. El subsistema Xanaes tiene por principal reservorio de agua al producido por el embalse Los Molinos generado por el cierre del dique homónimo. El río los Molinos posee un módulo de aproximadamente 10 m 3 /s y las características hídricas de la cuenca, reflejadas en la serie histórica de caudales medios mensuales, son similares a la del San Roque, según se detalla en Castelló (2000). A diferencia de la cuenca alta del Suquía, el área de aporte al embalse Los Molinos posee un porcentaje ínfimo de urbanizaciones, pero se desarrolla una pampa ondulada en todo el perilago Oeste totalmente apta para la agricultura. Las contaminaciones
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registradas en este cuerpo de agua en los últimos años han sido atribuidas a la gran cantidad de agroquímicos empleados en los cultivos de este perilago. El sistema de aprovechamiento nace en la torre de toma aguas arriba del dique, a cota 736 msnm, desde donde se inicia el túnel que alimenta la central hidroeléctrica Los Molinos I (MI). Una vez que las aguas son turbinadas en la central MI son vertidas al dique compensador, donde se unen nuevamente con las provenientes del dique, las cuales han sido evacuadas por los descargadores de fondo o por el vertedero. En este dique compensador se ubica la obra de toma para la central hidroeléctrica Los Molinos II (MII). A pocos metros aguas abajo de las descargas de esta central, donde se unen a las transportadas por el río Los Molinos, se encuentran en el Azud derivador de La Quintana, obra cabecera del canal Los Molinos – Córdoba. Por medio de este azud, cuya obra de toma se encuentra sobre la margen izquierda del río, se deriva agua al canal, la cual es conducida por éste hacia la ciudad de Córdoba para sus distintos usos en la zona Sur (ver Figura 3). CORDOBA
O T P D
DPTO. RIO PRIMERO
DPTO. CAPITAL
A L LI N U P .
RIO SEGUNDO
RAFAEL GARCIA ALTA GRACIA
S O L S L O A I N N L A O C M
PILAR Río Xanaes
DPTO. RIO SEGUNDO
DESPEÑADEROS EMBALSE LOS MOLINOS
DPTO. SANTA MARIA DPTO. CALAMUCHITA
0
10
20
30
40
50 Km
Figura 3: Ubicación del canal Los Molinos – Córdoba.
La concepción de este canal fue originalmente para riego en el sector sur de la ciudad, motivo por el cual fue concebida como una obra a superficie libre (canal). Posteriormente, se modificó el proyecto agregándole la necesidad de proveer agua para la producción de agua potable en la planta potabilizadora de Bower la cual satisface a la región sudeste de la ciudad de Córdoba. El caudal de diseño del canal fue de 12 m 3 /s desde el inicio en el azud mencionado hasta cerca de la localidad de Rafael García. En este sector fue diseñada una derivación a la localidad de Pilar de 4 m 3 /s para refrigeración de la central térmica ubicada en esta localidad. Desde Rafael García hacia abajo, hasta vincularse al sistema de riego a través
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del canal Maestro Sur, el caudal de diseño fue de 8 m 3 /s. Los detalles del proyecto y el estado actual de los distintos componentes de esta obra son desarrollados en el apartado 4.2. Dada la configuración actual de este complejo sistema de abastecimiento, y analizando los diversos estudios realizados en los últimos años (Rodriguez et al. 1999; Castelló et al. 2000; Moya et al. 2002) sobre los recursos hídricos superficiales del Gran Córdoba, los cuales prevén el agotamiento de la fuente del río Suquía para distintos escenarios hidrológicos y demandas, destacando que mayores aportes desde el Xanaes permiten mitigar los efectos de las sequías prolongadas. Por otro lado, si la necesidad del canal Los Molinos – Córdoba surge de los estudios de planificación anteriores a la década del 70 (Gavilán, 1971; MOSP, 1972), además que los análisis actuales reafirman su importancia advirtiendo el carácter esencial del trasvase desde la cuenca del Xanaes, y estando la obra limitada en capacidad hidráulica solamente en algunos sectores, resulta conveniente realizar todas las evaluaciones pertinentes para consolidar dicho trasvase.
4.2 DESCRIPCIÓN DE LA OBRA La presente reseña del canal Los Molinos – Córdoba se basa en los diferentes antecedentes recopilados de la obra, pero se fundamenta principalmente en las visitas de campo realizadas en diferentes oportunidades. En el Anexo A se adjunta una detallada descripción del estado actual de la totalidad de la obra, indicando progresivas, secciones, fotografías, etc. A continuación se resumen las características más relevantes de esta obra. El canal Los Molinos tiene su inicio sobre el río homónimo en el azud La Quintana, aguas abajo de la central Los Molinos II y recorre 60,615 Km hasta la derivación a la planta potabilizadora de Bower. Luego de esta toma, el canal continúa 1,27 Km hasta desembocar en el canal Maestro Sur, integrándose a este sistema de riego procedente de la cuenca del río Suquía. A lo largo de su recorrido, el canal analizado presenta cuatro tipos de secciones de proyecto, las cuales se dividen en dos tramos según el caudal de diseño (ver Figura 3): Tramo A caudal de diseño 12 m 3 /s (azud La Quintana – Rafael García) (1) Sección rectangular de hormigón armado de 5,00 m de ancho y altura variable de 1,60 a 2,70 m en 2,76 Km de longitud. La pendiente es de 1,00 m/Km. (2) Sección tolva de hormigón simple de 8,30 m de ancho en el coronamiento y 2,70 m de alto (ver Figura 4), de 38,2 Km de longitud y pendiente de 0,15 m/Km. Tramo B caudal de diseño 8 m 3 /s (Rafael García – canal Maestro Sur) (3) Sección tolva de hormigón simple de 7,06 m de ancho en el coronamiento y 2,15 m de alto (ver Figura 4), de 20,4 Km de longitud y pendiente de 0,15 m/Km. (4) Sección rectangular de hormigón armado de 2,50 m de ancho y 2,00 m de alto, 250 m de longitud y pendiente de 0,70 m/Km.
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0,40
8,30
0,40
0,40
7,06
R = 3 , 5 0 0 7 , 2
4,95
R = 3 , 3 3 5 1 , 2
SECCION TRAMO A - Caudal de Diseño 12 m3/s
0,40
4,71
SECCION TRAMO B - Caudal de Diseño 8 m3/s
Figura 4. Principales secciones del canal.
Para el último tramo, el caudal de diseño fue de 8 m 3 /s, debido a que los 4 m 3 /s restantes serían derivados a la central termoeléctrica de la localidad de Pilar. El diseño y construcción de los primeros tramos del canal y del azud La Quintana datan de las décadas del 70. Su ejecución fue realizada por tramos subdividiéndose en Tramo I, desde el azud hasta el cruce del río Anizacate; Tramo II, desde este cruce hasta la derivación a Pilar; y Tramo III, el restante. A lo largo de su trayectoria, el canal tiene 15 sifones de hormigón armado para el cruce de caminos, rutas, vías férreas y cauces de ríos o arroyos, siendo estos últimos los de mayor longitud debido a la topografía de los cruces. Los sifones correspondientes al Tramo A tienen un diámetro interno de 3,60 m, excepto el del río Anizacate que posee 2 conductos paralelos de 2,85 m (según proyecto), y los del Tramo B son de diámetro 2,60 m. El sifón de mayor envergadura corresponde al cruce del río Anizacate, tiene un desarrollo longitudinal de 1450 m. De los dos conductos, el izquierdo se encuentra fuera de servicio y se presume que su rotura se produjo antes de la puesta en operación del mismo. El tubo derecho, que se encuentra actualmente en funcionamiento, fue revestido son un fuste de hormigón armado de 0,20 m de espesor reduciendo el diámetro interno a 2,45 m. El sifón para el cruce del arroyo San José posee una sección entubada de más de 1900 m de longitud pero el flujo a presión se da en los primeros 600 m, mientras que los 1300 m restantes el agua circula a superficie libre. El canal los Molinos posee además 2 estructuras de medición (canaletas Parshall), 2 vertederos laterales, transiciones, compuertas, derivaciones, etc., además de una gran cantidad de estructuras superiores (pasa aguas) para dar continuidad a los excedentes pluviales generados en las cuencas de aportes interceptadas por el canal. En los tramos donde el canal se apoya sobre terraplén estos pasa aguas son inferiores (sifones invertidos). En los restantes cruces con rutas o caminos vecinales se han construido puentes cuyas dimensiones dependen de la magnitud de la obra vial. También existe una gran cantidad de campos separados por la expropiación del canal que han sido conectados mediante puentes de menor ancho. Los problemas citados en sifón del río Anizacate reducen notablemente la capacidad de conducción hidráulica del canal, pero además, durante sus pocos años de operación, el mismo ha sufrido múltiples roturas a lo largo de su traza que han disminuido progresivamente su capacidad de conducción.
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Las causas que han originado la pérdida de capacidad de conducción del canal son múltiples. Por un lado, se observa que en los últimos 40 Km aproximadamente, el canal se encuentra fundado sobre suelo loéssico característico en esta región por su susceptibilidad de colapso ante la presencia de agua. Los asentamientos por colapso comienzan a manifestarse a partir de la Ruta Nacional Nº 36. La presencia de este tipo de suelo es anterior a la mencionada ruta, pero no se observan asentamientos, posiblemente por estar el canal en trinchera con su fundación por debajo del manto de loess. En segundo lugar, cabe mencionar el ingreso lateral de los excedentes pluviales generados en las cuencas interceptadas por el canal. Esto provoca la acumulación de sedimentos en el canal, además de desbordes con la consecuente acumulación de agua en las inmediaciones del canal y una importante sobrecarga para la estructura del mismo. El ingreso de estas escorrentías superficiales al canal, ha mostrado tener gran importancia en las distintas fallas que presenta el mismo a lo largo de su traza. Se ha reportado la rotura de losas del canal por empuje lateral o subpresión provocado por el ingreso de agua entre el coronamiento del canal y el terreno natural. Existen también numerosas obstrucciones por rotura de terraplén y se observa una importante acumulación de especies vegetales en el canal (Anexo A - Foto 31, Foto 32, Foto 34 y Foto 60). Los inconvenientes enunciados muestran que la capacidad actual del canal es inferior a la adoptada para su diseño, y también menor a la necesaria para satisfacer los requerimientos de agua en el Gran Córdoba para el corto y mediano plazo (Castelló, 2000). En el Anexo A se adjuntan las figuras correspondientes a las planimetrías de toda la traza del canal, donde se encuentran las características mencionadas en el presente apartado, además de la descripción de detalle desarrollada en el propio anexo.
4.3 AFOROS Los aforos periódicos planteados inicialmente en el canal Los Molinos tenían por finalidad establecer la variación de los parámetros hidráulicos ante diferentes situaciones de limpieza, obras, etc. Las mediciones de caudal serían realizadas en aguas altas, medias y bajas, referidas a las magnitudes posibles de transitar en la actualidad por el canal. La implementación de estos aforos, fue prevista a cargo conjuntamente de la empresa Aguas Cordobesas y la DiPAS, quienes debieron planificar las fechas y horas de operación de las compuertas de entrada al canal, en el azud La Quintana. Mientras se aguardaba por los resultados de la ejecución de las mediciones por parte de los organismos técnicos receptores del presente estudio, fue planteada la posibilidad de realizar una menor cantidad de mediciones de caudal, y de esta manera poder calibrar (aunque en un entorno muy acotado) los modelos hidráulicos para el estado actual del canal. Mediante la colaboración del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Córdoba, tanto de personal como de instrumental, fueron realizadas las tareas de aforos en distintos sectores del canal, cuya selección debió ser analizada cuidadosamente.
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4.3.1 Secciones de aforo Uno de los objetivos principales de la recorrida de campo de la totalidad del canal fue la factibilidad de ubicación de las secciones de medición. Además de los datos relevados en la visita fueron observados los antecedentes gráficos recopilados en la DiPAS. Las tareas de simulación hidráulica del canal fueron desarrolladas en forma paralela a otras actividades. Los datos empleados en esta etapa de modelación fueron extraídos del proyecto del canal y los resultados aportaron valiosos elementos para la ubicación de las secciones a medir. Mediante esta modelación hidráulica preliminar, se observó que aguas abajo de la ruta Nacional Nº 36 la gran cantidad de sifones afectan notablemente el flujo normal en el canal debido a las curvas de remanso que se producen. A este fenómeno debe agregarse que a partir del cruce de la mencionada ruta se dan lugar los mayores daños y problemas estructurales, comentados en 4.2, que también provocan alteraciones al flujo y efectos de remanso. Por estas razones, se redujo el dominio para la selección definitiva de los sectores de aforo entre el inicio del canal y la ruta Nacional Nº 36 (Prog. 20000 aproximadamente). En forma conjunta a las tareas de aforo fue realizado un relevamiento topográfico de nivelación, por tal motivo, las secciones fueron elegidas por pares no solo para tener un control en el aforo, sino con el fin de relevar los tirantes de cada transversal y la pendiente de fondo existente entre cada par de secciones. Las secciones aforadas del canal se muestran en la Figura 5, en la que se observa su situación geográfica. En la Tabla 1 se detalla el tipo de sección y la progresiva correspondiente de cada una.
Figura 5: Ubicación de las estaciones de aforo.
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Tabla 1: Características de las estaciones de aforos. Estación
Progresiva
Sección
E.1 E.2 E.3 E.4 E.5 E.6
2159 2210 10514 10767 17127 17402
Rectangular Rectangular Tolva Tolva Tolva Tolva
Como se observa en Figura 5, las secciones seleccionadas están emplazadas en tramos rectos del canal, en las que el escurrimiento se presenta en forma de filetes paralelos, a suficiente distancia de cambios de alineamiento u obstrucciones que puedan alterar las características del flujo unidimensional. Otro condicionante en la selección, fue la accesibilidad completa en el sentido transversal del flujo. La totalidad de las secciones aforadas presentan estructuras que atraviesan el canal, como la son pasa aguas o vigas dobles (por ejemplo estación E.2, Foto 1), que facilitan la realización de esta actividad. En general estas estructuras son perpendiculares al sentido de escurrimiento por lo que permiten una medición normal.
Foto 1: Zona de medición Nº 1, Estación E.2.
De esta manera, el perfil transversal del flujo en las secciones de aforo, en ancho y profundidad, es asumido tener una distribución típica de velocidades, recomendación dada por diversos organismos internacionales especializados en mediciones. Esta condición asegura gran exactitud en el valor estimado del caudal. Debido a las demandas actuales a satisfacer por el canal, no fue posible coordinar movimientos de las compuertas de entrada al canal, por lo tanto, los aforos fueron realizados en los rangos de caudal establecidos para el día de la medición. En todos los casos se verificó la condición de régimen permanente del flujo en el canal en función de la información suministrada por personal encargado del manejo. Según las lecturas en el azud La Quintana las mediciones correspondieron a un caudal de 2,88 m 3 /s.
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4.3.2 Metodología de aforo empleada 4.3.2.1 Instrumental empleado El instrumental empleado pertenece al Laboratorio de Hidráulica de la UNC y consta de: -
Minimolinete Hidrométrico A.OTT C2-78944. Molinete Hidrométrico SIAP. Contador electrónico Z 200. Contador de chicharra. GPS Soga graduada, cinta métrica, estacas, maza.
4.3.2.2 Descripción del procedimiento de medición Verificación del estado del instrumental. Todos los elementos usados en esta actividad fueron previamente controlados en el laboratorio para verificar su correcto estado y funcionamiento. Se verificó la correcta lubricación del eje de giro de la hélice, el nivel de carga de las baterías de los contadores, la limpieza de los contactos, entre otras cosas. Georeferenciación de las estaciones. Las coordenadas geográficas de cada sección aforada fue registrada con un GPS (geoposicionador satelital) de tipo navegador para la ubicación en el caso de cualquier verificación futura. Armado de los molinetes . En esta etapa se arman los tramos desmontables de la barra del equipo y se selecciona el tipo de hélice a utilizar según la velocidad del flujo. Se colocan también los cables en los conectores de los molinetes y de los contadores. Materialización de la sección de aforo. Tiene por finalidad el levantamiento del perfil de la sección y es necesaria para el cálculo del caudal. La ventaja que se presenta en esta medición es el conocimiento previo de la geometría de la sección. Por este motivo no fue necesario el relevamiento de secciones, solamente se midieron la profundidad del agua en los distintos puntos de la transversal para poder determinar las verticales en donde se desarrollará el aforo. Para materializar los puntos de la transversal se utilizó una soga graduada en intervalos de 0,5 m de longitud, se extiende y se tensa entre dos estacas fijadas al terreno en la sección de aforo elegida, perpendicularmente a la dirección del flujo. Medición de la velocidad. En cada vertical de las secciones rectangulares se realizaron mediciones de la velocidad a profundidades correspondientes al 20, 40, 60 y 80 % del tirante, teniendo la precaución de situar los molinetes en la dirección del flujo. En las secciones en tolva la profundidad del agua es distinta en cada punto horizontal de la transversal, lo que dificulta la medición de cuatro puntos en la vertical cuando la profundidad no supera un cierto valor. Por este motivo se tomó el siguiente criterio para la medición según sea la profundidad total de la vertical: • • •
Si el tirante (h ) es menor a 0.20 m, solo se mide a 40% de h . Si el tirante es mayor a 0.20 m y menor a 1.00 m; se mide a 20 y 80% de h . Si el tirante es mayor a 1.00 m, se mide a 20, 40, 60 y 80 % h .
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Foto 2: Zona de medición Nº 2, Estación E.3.
El procedimiento de la toma de datos depende del equipo usado ya que en esta campaña se usaron dos tipos de molinetes, utilizándose el minimolinete A.OTT para las tres primeras estaciones y el molinete SIAP para las tres últimas. Para la medición con el molinete A.OTT se fijó el tiempo de muestreo y se leyó la cantidad de revoluciones. El tiempo se fijó en 30 segundos para cada una de las pruebas, las que fueron repetidas en el caso de lecturas dudosas. Para la medición con el molinete SIAP se fijó la cantidad de vueltas y se midió el tiempo empleado, el que fue en la mayoría de los casos mayor a 30 seg. También fue necesaria la medición de la velocidad superficial del canal. Para esto se contabilizó el tiempo transcurrido que recorre un flotador entre la distancia que separa las dos secciones de aforo correspondiente al par. 4.3.3 Cálculo del caudal El caudal erogado por el canal se calculó con la siguiente expresión: n
Q=
∑
Ai vmi
(1)
i =1
donde
Ai = área parcial, y vmi = velocidad media de cada área parcial.
Las áreas parciales del canal Ai surgen del producto de la separación entre los ejes verticales ∆w i de sondeo de la velocidad y la profundidad del canal d i tal como indica la Figura 6.
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Figura 6: Cálculo del caudal empleando los datos del aforo.
Las velocidades medias vmi fueron calculadas con las diferentes velocidades de la vertical vi . Dependiendo de las posibilidades de medición según la profundidad del canal (criterio descrito anteriormente), se utilizó las siguientes expresiones: •
Si solo se mide a 40% de h , entonces: vmi = v0,4 h
donde •
(2)
v0,4 h = Velocidad medida a 0,4h .
Si se mide a 20 y 80% de h , entonces: vmi =
donde
v0,2 h + v0,8h
(3)
2
v0,2 h = Velocidad medida a 0,2 h , y v0,8 h = Velocidad medida a 0,8 h .
•
Si se mide a 20, 40, 60 y 80 % h , entonces por integración del perfil de velocidades: vmi = 0, 2 ( v0,2h + v0,4h + v0,6h + v 0,8h + 1 2 v sup )
donde
(4)
v0,6 h = Velocidad medida a 0,6 h , y vsup = Velocidad superficial.
Las velocidades vi se calcularon utilizando la fórmula que le corresponde a la hélice empleada de cada molinete. Las fórmulas dependen linealmente del número de revoluciones por segundo y son mostradas a continuación:
Para el minimolinete A.OTT, hélice Nº 6: vi = 0,1030 n + 0, 023
(5)
Para el molinete SIAP, hélice clara:
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vi = 0, 2672n − 0, 0406
donde
(6)
n = Número de revoluciones por segundo.
4.3.4 Resultados 4.3.4.1 Caudales Las planillas empleadas en campaña con los datos relevados y observaciones para cada sección de aforo se adjuntan en el Anexo B. El desarrollo de los cálculos y la aplicación de las ecuaciones planteadas anteriormente pueden observarse también en estas planillas. La Tabla 2 muestra un resumen de los valores obtenidos en cada sección aforada. Tabla 2: Caudales resultantes en las estaciones de aforo. Caudal Velocidad 2 Sección Área [m ] Media [m/s] [m3/s] E.1 0,501 5,268 2,642 E.2 0,496 5,390 2,674 E.3 0,486 5,260 2,515 E.4 0,486 5,079 2,539 E.5 0,388 6,336 2,457 E.6 0,42 6,221 2,614
Las diferencias observadas entre los caudales resultantes de esta tabla se encuentran dentro de los errores admisibles de este tipo de medición ( ±5%). Debido a la mayor cantidad de mediciones, se adopta un promedio de las lecturas en la sección rectangular (2,65 m3 /s). Sin embargo, este valor estimado es un 8,7% menor respecto de la lectura en el azud de La Quintana de 2,88 m 3 /s. Luego de las tareas de gabinete, donde fueron advertidas estas diferencias, se realizó otro aforo de control resultando un caudal de 1,95 m 3 /s; mientras que las lecturas en el azud de La Quintana registraban un valor de 2,125 m 3 /s, manteniéndose sistemáticamente el mismo porcentaje de sobreestimación. Al continuar las diferencias se verificaron los aparatos en el Laboratorio de Hidráulica proporcionando resultados con errores del 1,5%. Dentro de los antecedentes recopilados se contó con la curva H-Q (altura –caudal) de la canaleta Parshall del azud La Quintana, la cual se muestra gráficamente en la Figura 7 y en forma tabular en la Tabla 3, respectivamente.
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Tabla 3: Valores de la ley H-Q para la canaleta Parshall del azud La Quintana. Altura Caudal Altura Caudal Altura Caudal Altura Caudal [m3 /s] [m3 /s] [m3 /s] [m3 /s] [m] [m] [m] [m] 0,35 0,454 0,50 1,261 0,65 2,320 0,79 3,498 0,36 0,499 0,51 1,325 0,66 2,399 0,80 3,588 0,37 0,545 0,52 1,389 0,67 2,478 0,81 3,680 0,38 0,592 0,53 1,455 0,68 2,558 0,82 3,772 0,39 0,641 0,54 1,521 0,69 **2,639 0,83 3,865 0,40 0,691 0,55 1,589 0,70 2,721 0,84 3,958 0,41 0,743 0,56 1,658 0,71 2,804 0,85 4,053 0,42 0,795 0,57 1,727 0,86 4,148 0,72 *2,888 0,43 0,849 0,58 1,798 0,73 2,973 0,87 4,244 0,44 0,905 0,59 1,870 0,74 3,058 0,88 4,341 0,45 0,961 0,60 **1,943 0,75 3,144 0,89 4,438 0,46 1,019 0,61 2,016 0,76 3,232 0,90 4,537 0,47 1,078 0,77 3,320 0,91 4,636 0,62 *2,091 0,48 1,138 0,63 2,166 0,78 3,408 0,92 4,736 0,49 1,199 0,64 2,243 (*) Corresponden a las lecturas en La Quintana. (**) Caudales medidos con micromolinetes.
Curva H-Q Parshall La Quintana Valores Aforados
S/ Curva Azud
1.00 0.80 ) m0.60 ( a r u t l 0.40 A
0.20 0.00 0.000
1.000
2.000
3.000
4.000
Caudal (m3/s)
Figura 7: Curva H-Q, canaleta Parshall, azud La Quintana.
Los valores resaltados en la Figura 7 y en la Tabla 3 muestran las diferencias aproximadas entre las mediciones en La Quintana y los resultados de las campañas de aforo para el mismo día. Aparentemente, estas diferencias podrían atribuirse a un error en las lecturas de la escala. Ponderando los resultados de los aforos en las secciones rectangulares debido a la metodología empleada, fueron adoptados como válidos los caudales aforados con minimolinetes. No obstante, se expresa la necesidad de verificar las diferencias encontradas en la curva H-Q de la canaleta Parshall.
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En función de los resultados expuestos, la calibración del modelo hidráulico fue realizada para los niveles de agua relevados en los distintos sectores para caudales de 2,65 y 1,95 m3 /s. 4.3.4.2 Distribución de velocidades Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción en las paredes, las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas en su sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por debajo de la superficie libre a una distancia de 0,05 a 0,25 de la profundidad. La Figura 8 muestra el modelo general de la distribución de velocidades para varias secciones verticales y horizontales en un canal de sección rectangular y las curvas de igual velocidad de la sección transversal.
Figura 8: Distribución de velocidades típica en un canal rectangular (Chow, 1994).
Para otras formas de las secciones los modelos de distribución de velocidad se muestran en la Figura 9. Esta distribución depende también de otros factores como, la rugosidad del canal, la presencia de curvas, y generalmente para secciones irregulares, cambia con las variaciones del tirante en la sección (Chow, 1994).
Figura 9: Curvas de igual velocidad para diferentes secciones de canal (Chow, 1994).
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Para el caso del canal Los Molinos, a partir de las velocidades vi estimadas en los aforos fueron realizadas las curvas de igual velocidad. De la Figura 10 a la Figura 12 se muestran los gráficos resultantes por pares de secciones aforadas. En estas figuras se puede observar una simetría aceptable que se acentúa en las secciones rectangulares por el mayor número de datos relevados, debido a la metodología propuesta (ver 4.3.3) y a la forma de la sección.
Figura 10: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.1 y E.2.
Figura 11: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.3 y E.4.
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Figura 12: Distribución de velocidades en secciones aforadas E.5 y E.6.
En las secciones tolva aforadas existe una marcada asimetría, la cual puede atribuirse entre otras particularidades, a un gran desarrollo de algas por los sedimentos acumulados en el tramo asociado a las estaciones E.3 y E.4 de la Figura 11; mientras que para el caso de la Figura 12 correspondientes a las estaciones E.5 y E.6, la distribución de corrientes irregular resulta por la ubicación aguas debajo de una curva.
4.4 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO EXPEDITIVO Mientras se aguardaba la información del relevamiento topográfico general de todo el canal, a cargo de los organismos receptores del presente trabajo, fueron encaradas diversas tareas de levantamientos locales a nivel de semidetalle. En primera instancia, se recurrió a las mediciones in-situ de algunos componentes principales del canal, para verificar dimensiones duplicadas, faltantes o erróneas, encontradas en los diversos antecedentes recopilados, como por ejemplo el diámetro de algunos de los sifones. Por otro lado, las tareas de aforo (apartado 4.3) fueron apoyadas en una nivelación topográfica local, a fin de determinar la pendiente de fondo y de pelo de agua en los tramos comprendidos entre secciones de aforo próximas. Estos datos fueron utilizados posteriormente en la calibración del modelo hidráulico. El canal cuenta con 2 estructuras de aforo (canaletas Parshall) ubicadas en las progresivas 121,84 y 1502,39, de las cuales se obtuvieron los respectivos planos de detalle, que debieron ser verificados o precisados en función de un relevamiento de campo. A continuación, se describen el relevamiento y los resultados obtenidos para las canaletas Parshall y para el apoyo a las tareas de aforo.
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4.4.1 Instrumental empleado El instrumental utilizado fue el siguiente: • • • • •
Nivel óptico TOPCON AT-67. Mira estándar de 5 m. Cinta de 50 m. Ruleta de 8 m. Estacas, fichas, masa.
4.4.2 Sectores relevados 4.4.2.1 Estructuras de aforo (canaletas Parshall) Las estructuras de aforo relevadas son dos canaletas Parshall situadas ambas en el tramo de sección rectangular del canal, sección (1) según la descripción realizada en 4.2. La primer canaleta se ubica en la Prog. 121,84 y la segunda en la Prog. 1502,39 (ver Figura 13). Las razones por las cuales fue necesario el relevamiento de las mismas se debió a la falta total de información relacionada con la geometría de la primer canaleta (C.P.1) y a una inconsistencia en la información recabada sobre la segunda (C.P.2).
Figura 13: Ubicación de las canaletas Parshall (C.P.).
En función del relevamiento fue posible establecer que ambas estructuras cuentan con la misma geometría en planta pero poseen diferentes perfiles longitudinales. Los resultados de las mediciones son presentados en las siguientes figuras.
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Figura 14: Planta de las canaletas Parshall.
Figura 15: Perfiles longitudinales relevados.
4.4.2.2 Tramos aforados con minimolinete Como fuera mencionado, durante las tareas de aforo se llevaron a cabo relevamientos topográficos locales, incluyendo las propias secciones aforadas, las cuales se pueden ubicar mediante la Figura 5 (presentada en el apartado 4.3.1). Las tareas realizadas en cada una de estas 3 zonas consistieron en la nivelación de los bordes de la sección (coronamiento), el pelo libre del agua en cada margen y el fondo del canal (profundidad máxima del canal). Para establecer las pendientes de fondo y de la superficie libre, fueron medidas las distancias que separan las secciones niveladas. Estas distancias fueron medidas con cinta en ida y vuelta. La planilla tipo utilizada para los relevamientos topográficos es presentada en la Tabla 4 y los puntos levantados se esquematizan en la Figura 16. Por razones de visual del nivel óptico utilizado, las distancias entre las secciones no superaron en ningún caso los 300 m, de esta manera fue factible solo una estación del nivel en la mitad de cada zona. La razón por la que se decidió realizar el levantamiento de dos puntos pertenecientes a la superficie libre fue únicamente para poder establecer un control en las lecturas. Por otro lado, la diferencia de nivel entre los bordes y el fondo de la sección permitió controlar la geometría de obra respecto de la correspondiente al proyecto.
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Tabla 4: Planilla tipo empleada para el levantamiento topográfico.
Sección
Prog. Nº
BI
Lecturas Fondo
PI
PD
BD
Observaciones
Distancia a próxima sección medida con cinta: Distancia a próxima sección medida con cinta: Distancia a próxima sección medida con cinta:
Figura 16: Puntos relevados en cada sección.
La pendiente entre dos secciones de canal fue computada como el desnivel existente entre puntos homólogos sobre la longitud que separa ambas secciones. Cuando se midieron varias secciones en una misma zona, las pendientes fueron calculadas como el promedio aritmético de las pendientes relevadas entre secciones consecutivas, utilizando las siguientes ecuaciones: Pendiente de fondo ∆h0 S0 = ∑ N i =1 l i
(7)
∆h f ∑ N i =1 l i
(8)
1
n
Pendiente de fricción S f =
Donde
1
n
S0 = Pendiente de fondo promedio de la zona,
= l = N = ∆h0 = S
∆h
Pendiente de fricción promedio de la zona, Longitud del tramo, Número de tramos de la zona, Desnivel de fondo entre dos secciones consecutivas, y = Desnivel de la superficie libre entre dos secciones consecutivas.
Las planillas con los respectivos datos de campaña y algunos de los cálculos de gabinete, son adjuntadas en el Anexo C. EDGAR M. CASTELLÓ
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4.4.2.2.1
Resultados
Zona 1. Entre Prog. 2123,9 y Prog. 2284,9.
Foto 3: Zona de medición Nº 1.
Pendiente de fondo: S0 = 0, 001 = 1 m Km
Coincidente con el valor de proyecto. Pendiente de fricción: S f = 0, 00007 = 0, 07 m Km
Este valor se encuentra muy por debajo de la pendiente de fondo, lo cual permite inferir la presencia de una curva de remanso (M1) posiblemente provocada por el cambio de pendiente en la sección tolva ubicada aguas abajo (ver descripción de detalle de este sector en el Anexo A). En la etapa de calibración del modelo hidráulico, este fenómeno fue constatado y considerado para la adopción definitiva de los parámetros hidráulicos de dicho tramo. Zona 2. Entre Prog. 10514 y Prog. 10767. Se puede apreciar en la Foto 4 la zona de medición Nº 2. Pendiente de fondo: S0 = 0, 0001 = 0,1 m Km
El valor de la pendiente de fondo en este tramo es menor que la pendiente de proyecto 0,15 m/Km. Pendiente de fricción: S f = 0, 00032 = 0, 32 m Km
La pendiente de fricción resultó tres veces mayor que la pendiente de fondo debido a una posible influencia de la entrada al sifón del río Anizacate, en la cual el tirante tiende al crítico generando una curva de remanso (M2). Esta curva de remanso también fue
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observada en la etapa de calibración, y se consideró este fenómeno en la selección de los valores de la rugosidad.
Foto 4. Zona de medición Nº 2.
Zona 3. Entre Prog. 17127,5 y Prog. 17402,6. Pendiente de fondo: S0 = 0, 00014 = 0,14 m Km ≅ 0,15 m Km
El valor de la pendiente de fondo relevada es muy cercano a la pendiente de proyecto. Pendiente de fricción: S f = 0, 00015 = 0,15 m Km
Los valores de las pendientes promedio de fricción y de fondo son aproximadamente idénticas, lo cual permite inferir la existencia de flujo uniforme en esta zona para los caudales medidos. En la determinación del coeficiente de rugosidad de Manning, esta zona fue especialmente considerada debido que cumple con las hipótesis de dicha formulación (ver apartado 4.6.2.1 – ecuación 94).
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4.5 MODELOS NUMÉRICOS EMPLEADOS Desde el punto de vista del funcionamiento hidráulico, el canal Los Molinos – Córdoba es una obra compleja ya que a lo largo de sus casi 62 Km es posible encontrar diferentes tipos de régimen (subcrítico, crítico y supercrítico), los cuales pueden modificarse de acuerdo a los caudales transportados. Si bien se trata de un canal a cielo abierto, aproximadamente unos 4900 m corresponden a secciones circulares de hormigón armado, principalmente de sifones invertidos para el cruce del arroyo San José, el río Anizacate y obras de infraestructura de relevancia (rutas nacionales y provinciales, FF.CC., caminos vecinales, etc. ). Además, esta obra posee 2 estructuras de medición (canaletas Parshall), 2 vertederos laterales (fusibles), transiciones, compuertas, derivaciones, etc. y actualmente una serie de sectores afectados por diversos problemas estructurales (ver Anexo A). En función de las características físicas mencionadas, una simulación hidráulica precisa de este canal requiere de modelos numéricos sofisticados. Evaluando los modelos unidimensionales disponibles de uso libre se recurrió al empleo de HEC-RAS, que tiene una gran versatilidad para la simulación de flujo unidimensional a superficie libre, mientras que para las situaciones flujo a presión fue utilizado el bloque EXTRAN del programa SWMM. Ambos modelos permiten incluir obras especiales en el sistema, tales como las existentes en el canal bajo estudio, y son de amplia aplicación en nuestro medio para este tipo de simulaciones. Las formulaciones, ventajas, limitaciones, características, etc. de estos modelos numéricos son desarrolladas a continuación. 4.5.1 Modelo HEC-RAS 4.5.1.1 Introducción HEC-RAS (River Analysis System), desarrollado por el Hydrologic Engineering Center (U.S. Army Corps of Engineers), es un software que permite la modelación hidráulica unidimensional de flujo permanente (e no permanente en su última versión) de canales naturales y artificiales a superficie libre. HEC-RAS es la actualización bajo entorno de windows del programa HEC-2, el cual es un modelo unidimensional que permite el cálculo del nivel alcanzado por el agua en canales a régimen permanente. La primera versión de HEC-RAS (1.0) fue presentada en Julio de 1995. Desde entonces, se han realizado diversos cambios o mejoras en el software, pasando por las versiones 1.1; 1.2; 2.0; 2.1; 2.2; 2.21; hasta la versión 3.0 (beta) publicada en Julio del 2001, la cual presenta un importante avance sobre la versión 2.21, incluyendo una optimización sobre el cálculo del flujo permanente y también una nueva rutina que permite modelar flujo no permanente. Si bien dicha versión de HEC-RAS (3.0) contaba con un módulo para simular flujo no permanente, en las referencias hidráulicas del programa no contemplaba información sobre los fundamentos utilizados para este proceso, destacando que el mismo mostraba algunas inestabilidades numéricas importantes. Las evoluciones hacia las versiones 3.1 (Noviembre de 2002) y posteriores (3.1.1 y 3.1.3), introducen las formulaciones del esquema de diferencias finitas empleado por el modelo para resolver el flujo
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impermanente. Recientemente, en mayo de 2008, la última versión disponible de este modelo (4.0 - beta) incorpora además el análisis de transporte de sedimentos. Una de las mayores ventajas de HEC-RAS es que posee una interface gráfica bajo entorno de windows, la cual se facilita el ingreso de los datos necesarios para el análisis, además de la visualización gráfica y tabulación de los resultados obtenidos (pre y post procesamiento de la información). El modelo cuenta con tres componentes de análisis hidráulico unidimensional: (1) Cálculo del perfil de la superficie libre para flujo permanente; (2) simulación del flujo no permanente; y (3) cálculo de transporte de sedimentos (fondo móvil); la actual versión sólo incluye las dos primeras. 4.5.1.2 Características del modelo. HEC-RAS permite el análisis hidráulico unidimensional de una red compleja de canales naturales o artificiales. A continuación se realiza una breve descripción de las características que presenta el modelo para la solución de ambos tipos de fluj o. Flujo Permanente : Esta componente ha sido diseñada para la estimación del perfil de la superficie libre en flujo permanente gradualmente variado. El modelo opera para un solo canal, un sistema dendrítico, o complejas redes o sistemas de canales. En régimen permanente es posible modelar flujo subcrítico, supercrítico y mixto. El procedimiento computacional básico está basado en la solución de la ecuación unidimensional de energía. Las pérdidas de energía son debido a la fricción (cuantificadas mediante la ecuación de Manning), además de las pérdidas por contracción o expansión (mediante coeficientes que afectan a los términos de la altura de velocidad en la ecuación de energía). La ecuación de cantidad de movimiento es utilizada donde el perfil de la superficie libre es rápidamente variado. Estas situaciones incluyen el cálculo en régimen de flujo mixto, como lo son los resaltos hidráulicos, la hidráulica de puentes, la confluencia de dos ríos, entre otros. Los efectos de diversas obstrucciones como puentes, alcantarillas, vertederos y otras estructuras, pueden ser considerados en el análisis. También permite evaluar los cambios en la superficie libre debido a mejoras o modificaciones en el canal analizado. Flujo Impermanente : Esta componente permite simular flujo unidimensional no permanente a través de una compleja red de canales a superficie libre. El solver de la ecuación de flujo no permanente fue adaptado del modelo UNET desarrollado por Barkau R. (HEC, 2001). Esta componente fue desarrollada primeramente para el cálculo de flujo a régimen subcrítico, y su aplicación a situaciones con cambios de régimen hidráulico presenta problemas de inestabilidad, aun en las versiones mas recientes. El cálculo hidráulico para las secciones transversales, puentes, alcantarillas, y otras estructuras hidráulicas, que fueron desarrolladas para la componente de flujo permanente, han sido incorporados dentro de este módulo. Además, este modelo de flujo impermanente permite modelar áreas de acumulación y conexiones hidráulicas entre dichas áreas, como así también entre tramos de canal.
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4.5.1.3 Base teórica del flujo unidimensional 4.5.1.3.1
Flujo permanente
4.5.1.3.1.1
Ecuaciones para el cálculo del pelo libre
El perfil de la superficie libre es calculado para cada sección resolviendo la ecuación de energía con un proceso iterativo denominado método del paso estándar (Chow, 1994). La ecuación de energía es escrita de la siguiente forma: Y2 + Z 2 +
donde
α 2V2 2 2g
= Y1 + Z1 +
α 1V 12 2g
+ he
(9)
Y1 ; Y 2 = profundidades del agua en la sección
transversal, Z1 ; Z 2 = elevaciones del fondo del canal principal, V1 ;V 2 = velocidades promedio, α1;α 2 = coeficientes de velocidad, g = aceleración de la gravedad, y he = pérdidas de energía.
La Figura 17 muestra esquemáticamente un tramo de canal con cada uno de los términos de la ecuación de energía.
Figura 17: Representación de los términos de la ecuación de energía.
Las pérdidas de energía entre dos secciones transversales pueden ser debido a la fricción, y/o debido a la contracción o expansión entre ambas secciones. La ecuación de pérdidas de energía es la siguiente: α 2V2 2
he = LS f + C
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2g
−
α 1V 12
(10)
2g
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donde
L = longitud ponderada, S = pendiente representativa de la línea de
energía entre dos secciones, y C = coeficiente de pérdidas por contracción expansión.
La distancia ponderada, L, es calculada como: L =
Llob Qlob + Lch Qch + Lrob Qrob
(11)
Qlob + Qch + Qrob
Llob ; Lch ; Lrob = longitudes entre dos secciones para el
donde
Qlob ; Qch ; Qrob
4.5.1.3.1.2
flujo en la planicie de inundación izquierda, canal principal, y planicie de inundación derecha, respectivamente. = promedio aritmético de los caudales entre secciones para la planicie de inundación izquierda, canal principal, y planicie de inundación derecha, respectivamente.
Subdivisión de la sección transversal y cálculo de la conductividad
La determinación de la conductividad total y el coeficiente de velocidad para una sección transversal, requiere la subdivisión del flujo en diferentes unidades, en las cuales el flujo se distribuya uniformemente. HEC-RAS divide el flujo en planicies de inundación en los cambios del coeficiente de Manning (n) (ver Figura 18). La conductividad es calculada dentro de cada subdivisión de la siguiente manera: 12
Q = KS f K=
donde
K n A R
1 n
AR
23
(12) (13)
= conductividad, = coeficiente de rugosidad de Manning, = área de flujo, y = radio hidráulico (área / perímetro mojado).
El modelo suma los valores incrementales de conductividad obteniendo un valor representativo para cada planicie de inundación, (izquierda y derecha). La conductividad para el canal principal es normalmente computada como un valor único. El valor total se obtiene como la suma de los tres valores de conductividad (izquierda, canal, y derecha).
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32
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Figura 18: Subdivisión utilizada por HEC-RAS para cada sección transversal.
El modelo posee un método alternativo para calcular la conductividad entre cada uno de los puntos que representan el terreno perteneciente a la planicie de inundación (ver Figura 19). Este método es usado por HEC-2, y ha sido mantenido en HEC-RAS para reproducir los estudios que originalmente fueran desarrollados con HEC-2.
Figura 19: Método alternativo para el cálculo de la conductividad (usado por HEC-2).
Los métodos de cálculo presentados producen diferentes resultados. Esta diferencia aumenta cuando las porciones de planicie de inundación tienen bajas rugosidades y las pendientes laterales o transversales son significativas. En general, el método utilizado por HEC-RAS (por defecto) determinará una conductividad total menor para un mismo valor de elevación de la superficie libre. 4.5.1.3.1.3
Coeficiente de rugosidad compuesto en el canal principal
El flujo en el canal principal no es subdividido, excepto cuando el coeficiente de rugosidad varía dentro del canal. El programa determina si el canal principal puede ser subdividido o si puede ser utilizado un valor de rugosidad compuesto, siguiendo el criterio que se detalla a continuación: si la pendiente de un lado del canal principal es mayor que 5H:1V y posee más de un valor de rugosidad, será computado un coeficiente de rugosidad compuesto, nc. Para la determinación del n c, el canal principal es dividido en N partes, cada una con un valor conocido de perímetro mojado P i y una rugosidad n i.
EDGAR M. CASTELLÓ
33
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
N 1.5 Pn ( ) ∑ i i i =1 nc = P
donde
(14)
23
nc = coeficiente de rugosidad compuesto o
equivalente,
ni
= coeficiente de rugosidad para la subdivisión
i, = perímetro mojado para todo el canal P principal, y. = perímetro mojado para la subdivisión i. Pi
El coeficiente compuesto o equivalente de rugosidad debe chequearse en las tablas de resultados para comprobar que su valor es razonable. 4.5.1.3.1.4
Evaluación de la altura media de velocidades
Debido a que este modelo es unidimensional, para cada sección transversal deberá tener un valor único de elevación de la superficie del agua, como así también la altura de velocidad. Para una determinada elevación de la superficie de agua, la energía media es obtenida por una ponderación según el flujo que atraviesa cada una de las tres subáreas de una sección transversal. La Figura 20 muestra como se obtiene la energía media para una sección (sin planicie de inundación izquierda).
Figura 20: Ejemplo de la obtención de la energía media.
Para poder calcular la energía cinética media es necesario obtener primero el coeficiente alfa de velocidad ponderado. Alfa es calculado de la siguiente manera: Q1
2
α
V
2g
=
V1
2
+ Q2
V 2
2
(15)
2g 2g Q1 + Q2
V12 V 2 2 + Q2 2 g Q1 g 2 2g α =
(16)
( Q1 + Q2 )V 2
EDGAR M. CASTELLÓ
34
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
α =
2 2 Q1V1 + Q2V2
(17)
( Q1 + Q2 )V 2
En general: α =
2 2 2 Q1V1 + Q2V2 + ... + Q NVN
(18)
QV 2
El coeficiente de velocidad α , es calculado basándose en la conductividad en los tres elementos: ambas planicies de inundación (izquierda y derecha) y el canal principal. Esto también puede ser escrito en términos de conductividad y área como en la siguiente ecuación: K l3ob K c3h K r3ob ( At ) 2 + 2 + 2 Ach Arob Alob α = 2
(19)
3
K t
donde
At = Área total de de flujo de la sección, sección, Alob ; Ach ; Arob = Áreas
de flujo en la planicie de inundación izquierda, canal principal, y planicie de inundación derecha, respectivamente, t otal de la sección K t = Conductividad total transversal, y la planicie de K lob ; K ch ; K rob = Conductividad de inundación izquierda, canal principal, y planicie de inundación derecha, respectivamente. 4.5.1.3.1.5
Evaluación de las pérdidas por fricción
Las pérdidas por fricción son calculadas como el producto de S f y L según la ecuación (10), donde S f es la pendiente representativa de la línea de energía para un tramo de longitud L definida en la ecuación (11). La pendiente de la línea de energía para cada sección transversal es calculada por la fórmula de Manning de la siguiente manera: Q S f = K
(20)
2
HEC-RAS permite diversas alternativas para calcular la pendiente representativa S f : Promedio de conductividades Q + Q2 S f = 1 K1 + K 2
2
(21)
Promedio de pendientes de fricción
EDGAR M. CASTELLÓ
35
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
S f =
S f 1 + S f 2
(22)
2
Media geométrica de las pendientes de fricción S =
S f 1 × S f 2
(23)
Media armónica de las pendientes de fricción S f =
2 ( S f 1 × S f 2 )
(24)
S f 1 + S f 2
La ecuación (21) es la usada por defecto en el programa. HEC-RAS también posee una opción que permite seleccionar la ecuación a emplear para el cálculo de la pendiente representativa dependiendo dependiendo del tipo de régimen del problema analizado. 4.5.1.3.1.6
Evaluación de las pérdidas por contracción y expansión
Las pérdidas por contracción y expansión son calculadas como muestra la siguiente ecuación: hce = C
donde
α 2V2 2 2g
−
α 1V 12
(25)
2g
expansión. C = Coeficiente de contracción o expansión.
El programa asume que una contracción está ocurriendo cuando la altura de velocidad aguas abajo es mayor que su correspondiente aguas arriba; y viceversa, cuando la altura de velocidad aguas arriba es mayor que aguas abajo, el programa asume que está ocurriendo una expansión. 4.5.1.3.1.7
Procedimiento computacional computacional
El valor desconocido de la elevación de la superficie del agua para una sección transversal es determinado por una solución iterativa de las ecuaciones (9) y (10). El procedimiento computacional computacional es el siguiente: 1. Se asume una elevación de la superficie superficie de agua en la sección sección aguas arriba arriba (o en la sección aguas abajo sí el perfil perf il está siendo calculado a régimen supercrítico). 2. Basado en la elevación elevación asumida, se determina determina la correspondiente correspondiente conductividad conductividad total y la altura de velocidad. 3. Con los valores valores del paso 2, 2, se calcula calcula S f y es resuelta la ecuación (10) para encontrar el valor de he . 4. Con los valores de los pasos 2 y 3, es resuelta la ecuación (9) para la determinación de WS2 (elevación de la superficie de agua).
EDGAR M. CASTELLÓ
36
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
5. Se compara compara el valor de de WS2 , con el valor asumido en el paso 1, se repite los pasos del 1 al 5 hasta que ambos valores se diferencien en menos de 0.01 pie (0.003 m), o la tolerancia t olerancia fijada por el usuario. El criterio utilizado para estimar la elevación de la superficie del agua en el proceso iterativo varía en cada iteración. Para la primer iteración adopta el valor de la profundidad del agua de la sección previa más el valor de la cota de la sección actualmente analizada. analizada. El segundo valor se determina como el valor asumido más el 70% del error cometido en la primera iteración (W.S. calculado – W.S. asumido). En otras palabras, W.S. nuevo = W.S. asumido + 0.70 * (W.S. calculado – W.S. asumido). El tercero y subsecuentes valores son generalmente basados en el método de la secante dependiendo del rango de la variación entre la elevación calculado y asumida. La ecuación del método de la secante es la siguiente: WS1 = WS1− 2 − Err1− 2
donde
Err Asum
(26)
Err Dif
WS1 = nuevo superficie de agua asumida, WS1−1 = valor asumido asumido en la iteración iteración previa, previa,
asumido en dos intentos previos, previos, WS1− 2 = valor asumido intentos previos previos (superficie (superficie de Err 1− 2 = error de dos intentos Err Asum Err Dif
agua calculada menos la asumida de la iteración 1-2), = diferencia entre entre los dos valores valores asumidos asumidos en los dos intentos previos. Err Asum = WS1-2 WS1-1, y = superficie de agua asumida asumida menos menos el valor calculado en la primera iteración 1-1, más el error de dos intentos previos, Err 1-2. ErrDif = WS1-1 – WS_Calc1-1 + Err1-2.
El método de la secante falla cuando el valor de Err Dif Dif es muy pequeño. Si esta variable es menor que 1.0E-10, entonces el método no es usado. Cuando esto ocurre, el programa resuelve tomando el promedio de los valores asumidos y calculados en el paso previo de la iteración. 4.5.1.3.1.8
Determinación de la profundidad crítica
La profundidad crítica para una sección transversal será determinada si alguna de las siguientes condiciones son satisfechas: 1. El régimen de flujo supercrítico supercrítico ha sido especificado. especificado. 2. El cálculo de la profundidad profundidad crítica ha ha sido requerida requerida por el usuario. 3. El tirante crítico es una una condición de borde, por por lo que debe debe ser calculado. calculado. 4. El número de Froude chequeado para un perfil subcrítico indica que la profundidad crítica debe ser determinada para verificar el régimen de flujo asociado con la elevación balanceada.
EDGAR M. CASTELLÓ
37
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
5. El programa no puede balancear la ecuación de energía dentro de la tolerancia especificada antes de alcanzar el número máximo de iteraciones. La energía total para una sección transversal está definida por: H = WS +
donde
α V 2
(27)
2g
H = energía total, WS = elevación de la superficie del agua, y
α V 2 2g
= altura de velocidad.
La elevación crítica de la superficie de agua es la elevación para la cual la energía total es un mínimo. La elevación crítica es determinada mediante un proceso iterativo en el cual se asume los valores de WS y se determinan los correspondientes valores de H utilizando la ecuación (27) hasta que el mínimo valor de H es alcanzado.
Figura 21: Gráfico de energía vs. elevación de la superficie de agua.
El programa posee dos métodos para el cálculo del tirante crítico: el “parabólico” y de la “secante”. El método parabólico es computacionalmente más rápido, pero es solamente capaz de localizar un único mínimo de energía. Para la mayoría de las secciones transversales existe solamente un valor mínimo en la curva de energía total, por este motivo el método parabólico es seleccionado por defecto. Si el método parabólico es empleado y el mismo no converge, entonces el programa automáticamente cambiará al método de la secante. También el método puede ser cambiado por el usuario. 4.5.1.3.1.9
Aplicación de la ecuación de cantidad de movimiento
Cuando la superficie de agua pase a través del tirante crítico, la ecuación de energía no puede ser empleada. La ecuación de energía es solamente aplicada para situaciones de flujo gradualmente variado, y la transición de subcrítico a supercrítico o de supercrítico a subcrítico son situaciones de flujo rápidamente variado. En estas instancias es necesario emplear la ecuación de cantidad de movimiento.
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38
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Dentro de HEC-RAS, la ecuación de momento puede ser aplicada para los siguientes problemas específicos: resaltos hidráulicos, flujo por debajo de puentes, y confluencia de ríos. La ecuación de cantidad de movimiento es derivada de la segunda ley de Newton: Fuerza = Masa x Aceleración
∑F
x
= ma
(28)
Aplicando la segunda ley de Newton a un volumen de agua comprendido entre dos secciones (1 y 2), como muestra la Figura 22, la siguiente expresión para el cambio de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo puede ser escrita: P2 − P1 + Wx − F f = Q ρ ∆Vx
donde
(29)
P = fuerza de presión hidrostática en 1 y 2, W x = fuerza debida al peso del agua en la F = Q =
ρ = ∆V x
=
dirección X, fuerza debida a la pérdida por fricción de 2 a 1, caudal o descarga, densidad del agua, y cambio de velocidad 2 a 1, en la dirección X.
Figura 22: Aplicación del principio de cantidad de movimiento.
Fuerzas debido a la presión hidrostática La fuerza en la dirección X debida a la presión hidrostática es: P = γ AY cosθ
(30)
Asumir una distribución de presión hidrostática es sólo válido para pendientes menores que 1:10. El valor del cosθ para una pendiente de 1:10 es igual a 0.995 por esta razón para pendientes menores que ésta, la corrección por cosθ para afectar la profundidad puede ser considerada igual a 1.0 (Chow, 1994).
EDGAR M. CASTELLÓ
39
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Por lo tanto, las ecuaciones para las fuerzas de presión en las secciones 1 y 2 son las siguientes: P1 = γ AY 1 1
(31)
P2 = γ A2 Y 2
(32)
γ = peso específico del agua,
donde
Ai = área mojada de las secciones 1 y 2, y Y i = profundidad medida desde la superficie del agua
al centroide de gravedad del área de las secciones transversales 1 y 2.
Fuerza de peso del agua Peso del agua = (Peso específico del agua) x (Volumen de agua) A1 + A2 L 2
W = γ
W x = W × sin θ
sin θ =
z2 + z1 L
= S0
A1 + A2 LS0 2
W x = γ
donde
(33)
(34) (35) (36)
L = Distancia entre dos secciones a lo largo del S0
eje X, = Pendiente de fondo del canal, y
zi = Elevación del fondo del canal en las secciones 1
y 2.
Fuerza de fricción F f = τ PL
donde
(37)
τ = esfuerzo de corte, y
P = promedio del perímetro mojado de las
secciones 1 y 2.
τ = γ RS f
donde
(38)
R = radio hidráulico promedio (R = A/P), y S = pendiente de la línea de energía (pendiente
de fricción).
EDGAR M. CASTELLÓ
40
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
(39)
A F f = γ S f PL P
(40)
A1 + A2 S f L 2
F f = γ
Cambio de la cantidad de movimiento (41)
ma = Q ρ ∆V x
ρ =
γ
ma =
donde
y
g
∆V x = ( β1V1 − β 2V 2 )
(42)
Qγ g
( β1V1 − β 2V2 )
β = coeficiente de cantidad de movimiento que
valora la variación de la distribución de velocidades en canales irregulares.
Sustituyendo en la ecuación (29), y asumiendo que el caudal Q puede variar de la sección 2 a la sección 1: Q1γ Q γ A1 + A2 A1 + A2 LS LS β 1 1V− 2 β 2 2V 0 −γ f = g g 2 2
γ 2A 2Y− γ 1AY 1 +γ Q2 β 2V2 g
+
A1 + A2 2
+ 2 A2 Y
A + A2 + 2 A2 Y+ 1 gA2 2 2
Q2 β 2
A1 + A2 2
LS 0 −
A1 + A2 − LS 0 2
LS f =
= LS f
Q1β 1V1 + 1 AY 1 g 2 Q1 β 1
gA1
+
AY
1 1
(43)
(44)
(45)
La ecuación (45) es la forma funcional de la ecuación de cantidad de movimiento que es usada en HEC-RAS. Todas las aplicaciones de ecuación de cantidad de movimiento son derivadas de la ecuación (45). 4.5.1.3.1.10
Limitaciones del módulo de flujo permanente
Las siguientes hipótesis están implícitas en la expresión analítica usada en la actual versión del programa: 1. El flujo es permanente. 2. El flujo es gradualmente variado (excepto en estructuras hidráulicas como: puentes, alcantarillas, vertederos; en donde es usada la ecuación de cantidad de movimiento u otra ecuación empírica). 3. El flujo es unidimensional. 4. Los canales poseen pequeñas pendientes (menores que 1:10). EDGAR M. CASTELLÓ
41
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Se asume flujo permanente porque el término que depende del tiempo no está incluido en la ecuación de energía (9). El flujo se adopta como gradualmente variado ya que la ecuación (9) está basada en la premisa que la distribución de la presión es hidrostática en cada sección transversal. En lugares en donde el flujo sea rápidamente variado, el programa utiliza la ecuación de cantidad de movimiento u otra ecuación empírica. El flujo es unidimensional ya que la ecuación (27) está basada en la premisa que la energía total es la misma para todos los puntos de una sección transversal. Las pendientes de fondo del canal deben ser pequeñas porque la altura de presión, de la cual Y es una componente (ecuación (9)), es representada por la profundidad del canal medida verticalmente. La última versión de programa (4.0 Beta Version) trabaja con condiciones de fondo móvil (transporte de sedimentos); mientras que las versiones anteriores requieren que las pérdidas de energía sean las definidas mediante la ecuación (10). 4.5.1.3.2
Simulación de flujo impermanente
Como fuera descripto en 4.5.1.1, a partir de la versión de HEC-RAS (3.0) presenta el módulo para simular flujo no permanente, aunque en las referencias hidráulicas del programa recién existe la información sobre los fundamentos utilizados para este proceso en la versión 3.1. La más importante limitación del modelo HEC-RAS para ser aplicado al canal Los Molinos Córdoba, radica en el impedimento de interpretar el funcionamiento hidráulico de los 15 sifones existentes en el mismo. Por lo contrario, la principal ventaja se encuentra en la interpretación de las curvas de remanso generadas por las distintas singularidades de la obra. Para contemplar los aspectos hidrodinámicos del canal bajo estudio, se recurrió a la aplicación del modelo SWMM (Storm Water Management Model), que además permite la simulación de flujo a presión, necesario para interpretar el funcionamiento de los sifones invertidos. Los conceptos básicos del modelo SWMM (4.30 Official Version, Mayo de 1994) serán desarrollados en la siguiente sección 4.5.2 Programa SWMM El programa SWMM (Storm Water Management Model) fue desarrollado por la USEPA (U.S. Environmental Protection Agency). Este modelo ha sido especialmente escrito para la simulación de sistemas de desagües pluviales y cloacales en forma combinada o separada. SWMM puede ser utilizado como modelo para planificación, diseño y operación. Este modelo permite obtener hidrogramas (cantidad) y polutogramas (calidad) correspondientes a las distintas subcuencas en que se divide la zona en estudio y también en los puntos de unión de conductos colectores. SWMM utiliza para el tránsito de los hidrogramas "métodos hidrológicos" y "métodos hidráulicos" que consideran las ecuaciones de Saint-Venant en su forma completa. La posibilidad de modelar el "tránsito hidráulico" puede ser fundamental en la simulación de
EDGAR M. CASTELLÓ
42
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
conductos de desagüe donde las condiciones de descarga aguas abajo influyan sobre el escurrimiento en el sistema de conductos. SWMM está conformado por los siguientes bloques: 1. RUNOFF: genera la escorrentía basado en hietogramas arbitrarios de entrada (precipitación y deshielo), condiciones antecedentes, uso de la tierra y topografía. 2. TRANSPORT: transita o transporta y combina los caudales y polutogramas generados por el bloque Runoff, a través de toda la red de desagües. El método utilizado para el tránsito es básicamente uno de onda cinemática (ecuación de SaintVenant en forma simplificada) que permite la propagación de perturbaciones solamente en la dirección del flujo. 3. STORAGE/TREATMENT: ha sido desarrollado para simular el tránsito de hidrogramas y polutogramas a través de plantas de almacenamiento y/o tratamiento. 4. EXTRAN: este bloque transita o transporta y combina los hidrogramas utilizando un esquema numérico que considera las ecuaciones de Saint-Venant en su forma completa. Es lo que se denomina un "tránsito hidráulico", fundamental cuando se prevean situaciones donde las perturbaciones aguas abajo deban "viajar" aguas arriba para así simular la física de las condiciones de descarga o de aguas abajo que afectan el funcionamiento del sistema. EXTRAN permite realizar el tránsito a través de canales abiertos y/o sistemas de conductos cerrados, sistemas de drenaje en ramas o en redes, considerando efectos de remanso bajo condiciones de marea, flujo a presión o bajo carga, flujo inverso, flujo a través de dispositivos especiales como vertederos, orificios (con y sin compuertas), bombas y dispositivos de almacenamiento. Dadas las complejas características de la obra bajo estudio (combinaciones de flujo a superficie libre y a presión), permite la aplicación de este último bloque descripto del programa SWMM. Las características del módulo EXTRAN son especificadas brevemente a continuación. 4.5.2.1 Módulo EXTRAN (EXTended TRANsport) 4.5.2.1.1
Introducción
EXTRAN es un modelo de tránsito hidráulico que fue desarrollado para la simulación de sistemas de desagües mixtos de conductos cerrados y canales abiertos. En los distintos nodos del sistema, este módulo recibe como datos de entrada los hidrogramas generados por otros módulos aguas arriba (e.g. módulo RUNOFF) o bien ingresados en forma directa por el usuario. EXTRAN realiza el tránsito dinámico de los caudales a través del sistema de drenaje hasta la descarga al cuerpo receptor. El programa permite simular redes abiertas o cerradas, flujo a superficie libre o a presión, flujo hacia aguas arriba, efectos de aguas abajo, estructuras especiales como vertederos, orificios, estaciones de bombeo y almacenamientos, etc. Los conductos pueden ser circulares, rectangulares, bóvedas, elipsoides; mientras que los canales pueden ser trapezoidales, parabólicos e irregulares (canales naturales), por mencionar los más importantes. Las salidas del modelo pueden ser tomadas como tirantes en las conducciones o como caudales en los diferentes lugares del sistema.
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43
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
EXTRAN fue desarrollado en 1973 para simular el comportamiento de los desagües de la ciudad de San Francisco US. En 1974 la Environmental Protection Agency (EPA) adquiere este modelo y lo incorpora al paquete del Storm Water Management Model (SWMM) y lo denomina modelo de transporte extendido (o EXTended TRANsport EXTRAN). Esta denominación surge para diferenciarlo del módulo TRANSPORT desarrollado por la Universidad de Florida para el programa original de SWMM. Desde entonces a la fecha el modelo ha sido mejorado, particularmente, para las condiciones de flujo a presión. La aplicación de los diferentes módulos de SWMM (RUNOFF, TRANSPORT o EXTRAN) depende de los objetivos de la simulación. EXTRAN debe ser empleado cuando es importante representar adecuadamente efectos desde aguas abajo o condiciones de control de salida, además de la modelación estructuras especiales como vertederos, orificios, bombas, compuertas, etc. En el otro extremo, el módulo RUNOFF se emplea para simular la generación de escorrentías y traslados en pequeños conductos en regiones altas del sistema donde las hipótesis de flujo uniforme son válidas. La solución con TRANSPORT es una aproximación de onda cinemática en la cual las perturbaciones sólo se propagan hacia aguas abajo, en consecuencia los efectos de aguas abajo no son considerados. Además el flujo a presión no es correctamente modelado. 4.5.2.1.2
Representación conceptual del sistema
EXTRAN emplea una descripción arco - nodo (link - node) del sistema de desagüe la cual permite facilitar una representación discreta del prototipo físico y de la solución matemática de las ecuaciones del flujo no permanente gradualmente variado. La Figura 23 muestra un sistema de desagüe idealizado como una serie de arcos o conductos conectados a nodos o uniones. Tanto los arcos como los nodos tienen definidas las respectivas propiedades que permiten la representación completa de la red de conductos. Los arcos conducen el flujo de nodo a nodo y las propiedades asociadas a los conductos son la rugosidad, longitud, sección transversal, radio hidráulico y ancho en la superficie. Las últimas tres propiedades dependen del caudal o la profundidad instantánea en el conducto. La principal variable dependiente en los arcos es la descarga o caudal, Q.
Figura 23: Representación conceptual del modelo EXTRAN.
EDGAR M. CASTELLÓ
44
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Los nodos son los elementos de almacenamiento en el sistema y corresponden a cámaras o uniones de conductos en el prototipo. Las variables asociadas con los nodos son la carga, el área y el volumen. La primer variable dependiente es la altura de carga H (elevación de la superficie de agua en el nodo = a la cota de fondo + el tirante de agua). En los nodos del sistema de desagües idealizado también se ingresan los caudales de entrada (hidrogramas), además de los caudales de salida a través de vertederos o derivaciones. 4.5.2.2 Ecuaciones para flujo no permanente 4.5.2.2.1
Deducción
4.5.2.2.1.1
Continuidad
La ley de continuidad para flujo no permanente puede ser establecida considerando la conservación de masa en un espacio infinitesimal entre dos secciones de canal, como se muestra en la Figura 24.
Figura 24: Continuidad en flujo no permanente.
En flujo no permanente el caudal cambia con la distancia a una tasa ∂Q / ∂x , y el área cambia con el tiempo a una tasa ∂ A / ∂t . El cambio de caudal a través del espacio en el tiempo es (∂Q / ∂x ) dx dt ; mientras que el cambio correspondiente al almacenamiento dentro del canal en el espacio es dx (∂A / ∂t ) dt . Asumiendo que el agua es incompresible, el cambio neto en el caudal más el cambio en el almacenamiento debería ser cero, es decir, ∂Q ∂A ∂ dx dt + dx ∂ dt = 0 x t
Donde
Q A x t
(46)
= caudal en el tramo de canal, = área, = distancia a lo largo del canal, y = tiempo.
Al simplificar resulta la ecuación de continuidad para flujo no permanente en canales abiertos.
EDGAR M. CASTELLÓ
45
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
∂Q ∂ x
4.5.2.2.1.2
+
∂A ∂t
=0
(47)
Cantidad de movimiento
Al considerar la variable tiempo permite analizar la variación de la velocidad en el flujo, vale decir, la aceleración, la cual produce fuerzas y causa pérdidas de energía adicionales en flujo. En la Figura 25, la fuerza debida a la aceleración ∂V / ∂t que actúa sobre el peso unitario w de agua es igual a ( w / g ) ∂V / ∂t , según la 2ª ley de Newton. Suponiendo que la pendiente del tramo del canal es pequeña, que la aceleración ocurre en la dirección x , y que su componente vertical en insignificante. El trabajo realizado por esta fuerza igual a la pérdida de energía debido a la aceleración, que dividida por el peso, la pérdida de altura de carga se expresa mediante (1/ g ) (∂V / ∂t ) dx .
Figura 25: Representación simplificada de la pérdida de energía en flujo no permanente.
El cambio total en la altura de carga en el tramo infinitesimal considerado consta de dos partes: la pérdida debido a la fricción h f = S f dx ; y la pérdida debida a la aceleración ha = (1/ g ) (∂V / ∂t )dx . Aplicando el principio de conservación de energía puede escribirse lo siguiente: V 2 1 ∂V = z+ dz+ y+ dy+ + d z+ y+ dx+ Sf dx + 2g 2g 2 g g ∂t V2
Donde
V2
(48)
z = distancia desde de un nivel de referencia, y = tirante de agua, V = Velocidad.
Al simplificar la ecuación (48) resulta V2 1 ∂V = − dz + y + dx − S f dx ∂ g g t 2
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(49)
46
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
El primer miembro de esta ecuación representa el cambio de altura total; los términos de la derecha son las pérdidas. La ecuación (49) establece que el cambio de altura total en flujo no permanente gradualmente variado depende de los efectos de fricción y de la aceleración. En flujo permanente, el cambio de altura depende únicamente de la fricción. Al dividir la ecuación (49) y empleando derivadas parciales, ∂ ( z + y ) ∂x
+ S f +
∂ V2
+
∂ x 2 g
1 ∂V
(50)
=0 g ∂t
Observando que −∂ z / ∂ z = S0 es la pendiente de fondo resulta, ∂y ∂x
+
V ∂V g ∂x
+
1 ∂V = S0 − S g ∂t
(51)
Esta expresión es la ecuación dinámica general para flujo no permanente gradualmente variado, publicada por primera vez por Saint Venant en 1848 (Chaudhry, 1993) 4.5.2.2.2
Ecuaciones empleadas por EXTRAN
4.5.2.2.2.1
Ecuación de continuidad
Las ecuaciones diferenciales básicas para los problemas de flujo en desagües han sido desarrolladas para flujo no permanente gradualmente variado en canales abiertos, conocidas como las ecuaciones de Saint Venant o ecuaciones de aguas bajas (o en ingles, Shallow Water Equation). La ecuación de continuidad escrita en función del área y el caudal es: ∂ A ∂t
donde
4.5.2.2.2.2
A Q x t
+
∂Q ∂ x
(52)
=0
= área,
= caudal en el conducto, = distancia a lo largo del conducto, y = tiempo.
Ecuación dinámica
La ecuación de momento puede ser escrita de diferentes maneras según cuales sean las variables dependientes analizadas. En función del caudal y de la carga hidráulica la ecuación de momento resulta: ∂Q ∂t
Donde
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g H z h
= = = =
2
+
∂ (Q / A) ∂ x
+ gA
∂ H ∂ x
+ gAS f = 0
(53)
aceleración de la gravedad, z + h = carga hidráulica, elevación del fondo, nivel del agua, y
47
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Sf = pendiente de fricción o de la línea de energía. La pendiente de fondo es considerada dentro del gradiente de H. EXTRAN emplea la ecuación de momento en los arcos o conductos; mientras que en los nodos o uniones aplica la ecuación de continuidad. La ecuación (53) se modifica sustituyendo las siguientes relaciones: Q2 A
= V A
2
∂ (V A) ∂ x
donde
(54)
2
= 2 AV
∂V ∂ x
(55)
∂ A
2
+ V
∂ x
V = velocidad promedio en el conducto.
La ecuación (53) resulta: ∂Q ∂t
+ 2 AV
∂V ∂ x
2
+ V
∂ A ∂ x
+ gA
∂ H ∂ x
+ gAS f = 0
(56)
Esta es la forma de la ecuación de momento usada por EXTRAN la cual depende las variables Q, A, V y H. La ecuación de continuidad puede readecuarse reemplazando en el segundo término de la ecuación (52) Q = A V, ∂ A ∂t
+ A
∂V ∂ x
+ V
∂ A ∂ x
(57)
=0
Ordenando los términos y multiplicando por V, AV
∂V ∂ x
= −V
∂ A ∂t
2
− V
(58)
∂ A ∂ x
Sustituyendo la ecuación (58) en la ecuación (56) para eliminar el término ∂V / ∂ x en la ecuación resuelta por el modelo. ∂Q ∂t
+ gAS f − 2V
∂ A ∂t
2
− V
∂ A ∂ x
+ gA
∂ H ∂ x
=0
(59)
La solución es para un caudal promedio en cada tramo y se asume constante en cada paso de tiempo, ∆t . La velocidad y el área transversal para ese caudal, o el tirante, son las variables en el tramo para la solución numérica. En las primeras versiones de este modelo fue usada una aproximación constante de la velocidad, pero fue mejorada porque producía soluciones altamente inestables. El modelo EXTRAN permite la solución de la ecuación de momento de tres formas diferentes, la ecuación (59) es la que adopta por defecto. Las otras dos soluciones son derivadas de las ecuaciones (52) y (53) de la siguiente manera. Tomando el segundo
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48
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
término de la ecuación (53) y expandiéndolo como el producto de Q y Q/A en vez de V 2A dado en la ecuación (54) resulta. 2
∂ (Q A) ∂x
=Q
2
∂ (1/ A) ∂x
+
2Q ∂Q A ∂x
=Q
2
∂ (1/ A) ∂x
+ 2V
∂Q
(60)
∂x
Nuevamente, como EXTRAN supone que el caudal es constante en el tramo, se sustituye de la ecuación de continuidad (52) el término ∂Q / ∂x en la ecuación (60). La ecuación (61) es la ecuación de momento en el tramo usada por el programa para las dos soluciones adicionales cuyas técnicas se detallan en el punto 4.5.2.2.5. ∂Q ∂t
4.5.2.2.2.3
+ gAS f − 2V
∂A ∂t
−Q
2
∂(1/ A) ∂x
+ gA
∂H ∂x
=0
(61)
Fricción
La pendiente de fricción es definida por la ecuación de Manning, Q=
AR 2 / 3 S f
1 / 2
(62)
n
o bien S f =
donde
k gAR 4 / 3
Q V
(63)
R = radio hidráulico, k = g n2 para el sistema métrico de unidades, y g(n/1,49)2 para el sistema US consistente, y n = coeficiente de rugosidad de Manning.
El uso del valor absoluto en la ecuación (63) convierte a la pendiente de fricción S f en una magnitud con sentido y asegura que las fuerzas debido a la fricción siempre se oponen al flujo. 4.5.2.2.2.4
Diferencias finitas
Sustituyendo la expresión (63) en la ecuación (59) y expresando en diferencias finitas resulta Qt + ∆t = Qt −
Donde
k ∆t R 4 / 3
V t Qt + ∆t + 2V ( ∆ A / ∆t ) t ∆t + V 2 [( A2 − A1 ) / L ]∆t − gA[( H 2 − H 1 ) / L ]∆t
(64)
= paso de tiempo, y L = longitud del conducto.
∆t
Reordenando la ecuación (64) para Qt + ∆t resulta la forma en diferencias finitas de la ecuación dinámica del flujo,
EDGAR M. CASTELLÓ
49
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Qt + ∆t =
1+
1 k ∆t R
4 / 3
Qt + 2V (∆ A / ∆t ) t ∆t + V 2 [( A2 − A1 ) / L ]∆t − gA[( H 2 − H 1 ) / L ]∆t − [ − ] ∆ / g A ( H H ) L t 2 1 V t
(65)
En la ecuación (65), V , R y A son los promedios ponderados de los valores en el conducto al final del tiempo t, y (∆ A / ∆t ) t es el área promedio en el paso de tiempo anterior. Las incógnitas en la ecuación (65) son Qt + ∆t , H2 y H1. Las variables V , R y A están vinculadas con Q y H, por lo tanto se requiere una relación entre éstas últimas que puede ser obtenida escribiendo la ecuación de continuidad en los nodos. Q ∂ H = ∑ ∂t t As t
(66)
O en forma de diferencias finitas Q∆t H t + ∆t = H t + ∑ A s t
donde
(67)
As = área del nodo.
El sistema de ecuaciones formado por (65) y (67) pueden ser resueltas simultáneamente para determinar el caudal en cada tramo y la altura de carga en cada nodo para el paso de tiempo ∆t . La integración numérica de estas dos ecuaciones es realizada mediante el método de Euler modificado el cual es lo suficientemente estable y los resultados estimados son correctos. 4.5.2.2.3
Estabilidad numérica
4.5.2.2.3.1
Restricción en el paso de tiempo
El método de Euler modificado produce una solución completamente explícita, en la cual la ecuación de momento es aplicada para obtener el caudal en cada tramo o conducto y la ecuación de continuidad permite calcular la carga hidráulica en cada nodo o unión, con un acoplamiento implícito de ambas en cada paso de tiempo. Los métodos explícitos envuelven desarrollos matemáticos simples y requieren reducidos espacios de almacenamiento comparado con los métodos implícitos, pero aquellos son generalmente menos estables y necesitan pasos de tiempo más cortos. Desde un punto de vista práctico, las experiencias con EXTRAN indican que el modelo es numéricamente estable cuando se satisfacen las siguientes desigualdades: En los tramos o conductos ∆t ≤
donde
∆t
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L
(68)
gD
= paso de tiempo, 50
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
L = longitud del conducto, g = aceleración de la gravedad, y D = máximo tirante en el conducto. Esta relación es conocida como la condición de Courant la cual limita el paso de tiempo de manera que una onda dinámica pueda propagarse en la longitud del conducto. En el comienzo de la simulación el programa verifica si todos los conductos satisfacen esta condición. En los nodos o uniones ∆t ≤
donde
C ' As ∆ H max
(69)
∑Q
C’ = constante adimensional, determinada experimentalmente y aproximadamente igual a 0,1, As = área del nodo, ∆ H max = máximo desnivel de la altura de carga alcanzada durante el paso de tiempo, y ∑ Q = cambio neto de caudal en el nodo.
De las desigualdades (68) y (69) se desprende que el máximo paso de tiempo ∆t posible estará determinado por el conducto o canal de menor profundidad y que transporte el mayor caudal. En general, el paso de tiempo dependerá de las necesidades particulares de cada análisis, por lo que sí se requieren ∆t menores podrán eliminarse los conductos menos relevantes. En la actualidad, la velocidad adquirida por los microprocesadores computacionales permiten realizar estudios de grandes sistemas con ∆t en el orden de 1 a 2 segundos con tiempos de modelación razonables. 4.5.2.2.3.2
Conductos equivalentes
Un conducto equivalente es la sustitución de un elemento existente en el sistema de drenaje por un conducto hipotético el cual es hidráulicamente idéntico al elemento reemplazado. Usualmente los conductos equivalentes son usados cuando un elemento del sistema puede causar la inestabilidad numérica. En general, los conductos cortos y vertederos causan problemas de inestabilidad y necesitan ser reemplazados por conductos equivalentes. Este reemplazo puede ser realizado por el usuario o bien por el programa en forma automática, el cual sigue el siguiente procedimiento. Primero se establece la ecuación de cálculo del caudal para el elemento en cuestión (conducto, vertedero, orificio, etc.) y se iguala a la ecuación de Manning (62) para el conducto equivalente. De esta manera se logra que las pérdidas de carga en ambos sean iguales. Habiendo establecido el ∆t de cálculo se estima la longitud del conducto equivalente a partir de la desigualdad (68), y mediante la ecuación de Manning se estima el coeficiente de rugosidad que proporcione la misma pérdida de carga. 4.5.2.2.4
Flujo a presión
El flujo a presión ocurre cuando los conductos que llegan a un nodo se encuentran completamente llenos, o bien, cuando el nivel de agua en el nodo supera el intrados de alguno de los conductos.
EDGAR M. CASTELLÓ
51
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Durante el flujo a presión, la carga hidráulica calculada con la ecuación (66) no es muy adecuada porque el área del nodo es muy pequeña para ser usada como divisor. Debido a este inconveniente la ecuación de continuidad de cada nodo será igualada a cero.
∑ Q(t ) = 0
(70)
donde ΣQ(t) es la sumatoria de todos los caudales que llegan o abandonan el nodo. Como la ecuación (70) no es exactamente satisfecha, el programa emplea un procedimiento iterativo en el cual el ajuste de la carga hidráulica en cada nodo es realizado sobre la base de los cambios relativos en el caudal de cada conducto conectado respecto del cambio en la carga como ∂Q / ∂H . Expresando la ecuación (70) en términos de la carga hidráulica ajustada en el nodo j resulta ∂Q(t ) + ∆ Q t H t ( ) ( ) = 0 ∑ j ∂ H j
(71)
∑ Q(t ) ∂ H( )t = − ∑ ∂Q(t )
(72)
Despejando ∆H j ∆
j
Hj
El ajuste mencionado es efectuado a la mitad del paso de tiempo de cálculo durante el flujo a presión, de esta manera la corrección es ∆ H ( tj + ∆ t / 2) = H ( tj) + k ∆ H (tj + ∆t / 2)
(73)
donde H j ( t + ∆ t / 2) es determinado mediante la ecuación (72) mientras que la carga hidráulica calculada para el paso de tiempo completo es H ( tj + ∆ t ) = H ( t j+ ∆ t / 2) + k ∆H (tj)
(74)
donde ∆ H j (t ) es calculado con la ecuación (72). El valor de la constante k fue establecido en función de la práctica y tiene valores de 0,3 y 0,6 para la mitad y el total del paso de tiempo, respectivamente. La corrección de la carga hidráulica es considerada para los conductos: A(t ) ∆t − K t 1 ( ) L
(75)
gn2 K (t ) = −∆t 2 4 / 3 V (t ) m R
(76)
∂Q(t ) ∂ H j
=
g
donde
= A(t) = L = n = ∆t
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paso de tiempo, sección transversal del conducto, longitud del conducto, coeficiente de Manning, 52
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
m g R V(t)
= = = =
1,00 para sistema métrico y 1,49 para U.S., aceleración de la gravedad, radio hidráulico para el conducto lleno, y velocidad en el conducto.
y para los nodos con ingresos de caudal al sistema: ∂Q(t ) ∂ H j
4.5.2.2.5
=0
(77)
Soluciones adicionales de EXTRAN
El programa incluye dos soluciones adicionales a la descripta en 4.5.2.2.2.4 para la ecuación de flujo no permanente unidimensional gradualmente variado. Estas soluciones son llamadas mediante el parámetro ISOL del grupo de datos o registro B0. En esta sección se describe la formulación de ISOL = 1 e ISOL = 2 y se comparan las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas con la solución que adopta por defecto, descripta en 49 (ISOL = 0). Para sintetizar la solución ISOL = 0 será denominada en adelante como método explícito (la cual es resuelta por la subrutina XROUTE), ISOL = 1 como método explícito mejorado (subrutina YROUTE), y la solución ISOL = 2 como método iterativo (subrutina ZROUTE). 4.5.2.2.5.1
Método explícito mejorado
Sustituyendo el valor de la pendiente de fricción definida por la ecuación (63) en la (61) y expresando en diferencias finitas se obtiene Qt +∆t = Qt −
k ∆t R 4 / 3
Vt Qt +∆t
(78) 1 1 ∆A + 2V ∆t − Qt +∆tQt − / L ∆t − gA ( H 2 − H 1 ) / L ∆t ∆t t A2 A1
Reordenando la ecuación (78) para Qt + ∆t resulta la expresión en diferencias finitas para la solución de la ecuación dinámica del flujo por el método explícito mejorado. H − H 1 ∆ A ∆t − g A 2 ∆t L ∆t t Qt +∆ t = 1 1 k ∆t 1 + 4 / 3 Vt + Qt − / L ∆t R A2 A1 t Qt + 2V
(79)
Al igual que en la ecuación (65), los valores V , R y A son los promedios ponderados aguas arriba, al medio y aguas abajo del conducto en el tiempo t, y (∆ A / ∆t ) t es el área promedio en el paso de tiempo previo. Existen dos diferencias significantes entre la solución explícita y la mejorada mostradas en las ecuaciones (65) y (79), respectivamente: 1) el término ∂(Q 2 / A)∂x en la ecuación de momento, es obtenido de manera diferente; y
EDGAR M. CASTELLÓ
53
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
2) debido a esto, otro valor de Qt + ∆t es sacado como factor en la ecuación de momento (61). Las principales consecuencias de estas diferencias ocurren durante los sectores de ascenso y descenso de los hidrogramas. Durante régimen permanente la ecuación de momento se reduce a un balance entre la pendiente de la carga hidráulica y la pendiente de fricción. Sin embargo, cuando los caudales crecen o decrecen la solución explícita mejorada permite aumentar sustancialmente el ∆t de cálculo (en el orden de 2 a 3 veces). Esta ventaja no es aplicable a sistemas con grandes tramos a presión dado que ambas soluciones emplean el mismo algoritmo (descripto en 4.5.2.2.4) y por lo tanto poseen las mismas limitaciones. Al igual que en el método explícito, las incógnitas en la ecuación (79) son Qt + ∆t , H 2 y H 1, y las variables V , R y A pueden relacionarse con Q y H mediante la ecuación de continuidad en los nodos (67). 4.5.2.2.5.2
Método Iterativo
Este método parte también de la ecuación de momento (61) en la cual la pendiente de fricción se obtiene a partir de la ecuación de Manning, llegando a la expresión (78). Reordenando la ecuación (78) para Qt + ∆t y empleando coeficientes de ponderación dados por la siguiente expresión en diferencias finitas para la solución de la ecuación dinámica del flujo por el método iterativo. Q / A2 − Q/ A1 H2 − H1 k ∆t ∆ + + t V Qt + (1 − w) − g A ∆t + 4/3 L L t R + w − g A H 2 − H 1 ∆t + V ∆ A ∆t t +∆ t L Qt +∆ t = k ∆t Q / A2 − Q / A1 w 4 / 3 V + ∆t L t +∆ t R
(80)
Los valores en t son igualados a los resultados del paso previo; mientras que los en t + ∆t corresponden a la presente iteración. A 1, A 2, H 1 y H2 son las áreas transversales y los tirantes de los conductos medidos en los nodos aguas arriba y aguas abajo, respectivamente. El factor de ponderación en el tiempo w es igual a 0,55. Nuevamente, las incógnitas de la ecuación (80) y las variables (velocidades, áreas y radios hidráulicos) pueden relacionarse con Q y H mediante la ecuación de continuidad en los nodos según la siguiente expresión para la solución iterativa (nótese que el coeficiente de ponderación en numerador y denominador son cancelados). ∂ H ∑ Qt + Qt +∆ t ∂t = A + A t S S t
donde
(81)
t +∆ t
AS t = área del nodo en el paso t, y AS t +∆ t = área del nodo en el paso t + ∆t .
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54
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Las ecuaciones (80) y (81) son resueltas iterativamente para determinar el caudal en cada conducto y las alturas de carga hidráulica en cada nodo del sistema al final de cada paso de tiempo. La integración numérica de ambas ecuaciones es realizada usando una solución de matriz iterativa de relajación. El método iterativo usa un factor de relajación de 0,75 para la primera iteración y de 0,50 para las siguientes iteraciones (estos valores fueron determinados por prueba y error). De esta forma, una nueva estimación de Qt + ∆t en cada iteración es: Qt +∆ t = (1 − U f )Q j + U f Q j +1
donde
(82)
Uf = factor de relajación (0,75 o 0,50), Q j = caudal en la iteración j, y Q j+1 = caudal en la iteración j+1.
De manera similar, los tirantes en los nodos en cada iteración son estimados: Ht +∆ t = (1 − U f ) Hj + U f Hj +1
donde
(83)
H j = altura en el nodo para la iteración j, y H j+1 = altura en el nodo para la iteración j+1.
La solución para un nuevo paso de tiempo comienza cuando los caudales en todos los conductos y los tirantes en todos los nodos satisfacen el criterio de convergencia, definido mediante el parámetro SURTOL el grupo de datos o registro B2. El criterio de convergencia para los caudales y los tirantes se definen de la siguiente manera: Q
+1j
− Q / j Q
≤ SURTOL
full
H+1j − H / H full≤ SURTOL j
donde
(84) (85)
Q full = Caudal de diseño del conducto, y Hfull = Altura entre el fondo y el terreno en el nodo.
El caudal de diseño cuando el conducto tiene pendiente nula es calculado asumiendo una diferencia de 0,01 m entre los nodos aguas arriba y abajo. Valores razonables para el criterio de convergencia son de 0,0025 y 0,0010. El número máximo de iteraciones es definido por el parámetro ITMAX en el grupo de datos o registro B2. Este parámetro permite continuar con la modelación cuando la convergencia no es alcanzada. La principal ventaja del método iterativo es que puede emplear paso de tiempo variable entre un máximo y un mínimo definidos por el usuario. El programa seleccionará cada paso de tiempo en función del menor número de Courant al comienzo de cada nuevo intervalo. El número de Courant para conductos cerrados es expresado en la ecuación (86) y para canales a cielo abierto en la ecuación (87). C # =
EDGAR M. CASTELLÓ
(86)
L V+
gD
55
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
C # =
donde
C# L g D V A T
= = = = = = =
(87)
L V+
gA / T
Número de Courant, s, Longitud del conducto, m, aceleración de la gravedad, 9,81 m/s 2, diámetro o tirante máximo, m, velocidad media, m/s, sección transversal, m2, ancho superficial en el canal, m.
4.5.2.3 Recomendaciones para la preparación de datos Cuando el sistema a modelar posee conductos muy cortos, respecto de los restantes, requiere de pasos de tiempo muy pequeños para que exista estabilidad numérica (ver apartado 4.5.2.2.3). En estos casos es conveniente reemplazar los tramos cortos por conductos equivalentes siguiendo el criterio que se detalla a continuación. En primer lugar es necesario establecer la igualdad en la ecuación de Manning para el conducto real y el equivalente propuesto: m nr
donde
m r e n A R S
= = = = = = =
Ar Rr
2/3
Sr
1/ 2
=
m ne
Ae Re
2/3
1/ 2
Se
(88)
1,00 para sistema métrico y 1,49 para U.S., (subíndice) indica conducto existente o real, (subíndice) indica conducto equivalente, coeficiente de Manning, sección transversal, radio hidráulico del conducto, y pendiente del gradiente hidráulico.
A partir de esta igualdad es posible adaptar las variables del conducto equivalente a los requerimientos o condicionantes del conducto existente. Suponiendo que ambos ti enen la misma geometría, es decir, sección transversal y radio hidráulico, resulta: 1/ 2
1/ 2
S r
nr
=
Se
(89)
ne
como la pendiente es la de fricción S=
donde
h L
(90)
L
hL = pérdida de carga por fricción, y L = longitud del conducto.
y como las pérdidas de carga deben ser iguales en ambos conductos, la ecuación (89) puede simplificarse a
EDGAR M. CASTELLÓ
56
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
1 nr Lr
1/ 2
=
(91)
1 1/ 2
ne Le
adaptando la longitud del conducto equivalente L e a los requerimientos de la condición de Courant para el paso de cálculo, ecuación (68), es posible readecuar el coeficiente de rugosidad de Manning en conducto equivalente n e para mantener las condiciones hidráulicas, 1/ 2
ne =
nr Lr
(92)
Le1/ 2
4.6 APLICACIÓN DE LOS MODELOS NUMÉRICOS 4.6.1 Análisis de Sensibilidad Geométrica del Modelo HEC-RAS 4.6.1.1 Planteo del problema A pesar de las ventajas mencionadas del modelo HEC-RAS (ver apartado 4.5.1), posee una limitación en la carga de datos respecto de la sección transversal del canal analizado. Este canal se compone en más de un 85% de su longitud por una sección en tolva con un sector circular en la base (Figura 4) que debe ser representado por una serie de puntos coordenados para la interpretación del modelo. Las versiones mencionadas de HEC-RAS poseen un máximo de 500 (quinientos) puntos para la determinación de la geometría de la sección transversal. Los contornos son interpolados linealmente por el modelo entre los puntos cargados. Ante la limitación para una sección con lados curvos, pero con la ventaja de 500 puntos para representarla, se recurrió a la discretización del sector circular. Debido a las diferencias geométricas entre la sección real y el modelo es previsible un error en los resultados, el cual será mayor mientras menor sea el número de puntos considerados. En este sentido, fue realizado un análisis de sensibilidad del modelo para establecer cuál es el mínimo número de puntos necesarios, para representar la sección transversal, y que además permita obtener un grado de error aceptable en la modelación. 4.6.1.2 Parámetros adoptados Aproximadamente, el 85% de los 61,885 Km del canal posee una sección tolva de hormigón, de los cuales 34,050 Km pertenecen al Tramo I y 19,200 Km al Tramo II (ver Figura 4). Para el análisis de sensibilidad fue empleada la sección en tolva correspondiente al Tramo I. Como límite superior, fue establecida una discretización del sector circular de la tolva en 100 puntos, determinando tramos de 0,055 m de longitud donde los arcos resultantes se confunden con la cuerda debido a que el ángulo barrido es menor a un grado. Los resultados para esta configuración de la geometría fueron adoptados como los de mayor precisión, los cuales sirvieron de comparación para las restantes geometrías planteadas.
EDGAR M. CASTELLÓ
57
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Gráficamente, fueron obtenidas las coordenadas de los puntos representativos del sector circular de la sección tolva para 5 (cinco), 10 (diez), 20 (veinte), 50 (cincuenta) y 100 (cien) valores equidistantes. Para este análisis se consideró un tramo hipotético de un canal recto y uniforme de una longitud de 1000 m, interpolado cada 100 m, al cual fueron asignadas pendientes de S 1 = 0.0001 y S 2 = 0.0002 consideradas como las más representativas del canal bajo estudio en función de los diversos antecedentes consultados referidos al proyecto de la obra. El coeficiente de rugosidad de Manning, para la estimación de las pérdidas por fricción (ver apartado 4.5.2.2.2.3), fue considerado en tres grupos o configuraciones diferentes: • • •
n = 0,015, para toda la sección n = 0,018, para toda la sección; n = 0,025, para la porción circular de la tolva, y n = 0,018 para el resto de la sección.
El menor valor de n fue adoptado en función de las recomendaciones dadas en diferentes bibliografías (Chow, 1994; Chaudhry, 1993) para este tipo de material. No fue posible hallar en los antecedentes disponibles en los archivos de la DiPAS memorias de cálculo respecto de este coeficiente. La consideración de una mayor rugosidad en el fondo (0,025) se debe a las observaciones realizadas in-situ en diferentes sectores del canal con alta acumulación de sedimentos y algas. Con relación a las condiciones de flujo, fueron asignados dieciséis valores diferentes de caudales: 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14 y 15 m 3 /s. Las condiciones de contorno aguas abajo (por tratarse de un régimen subcrítico) fueron proporcionadas mediante la pendiente de fondo (flujo uniforme). Combinando los parámetros considerados de pendiente, rugosidad y geometría resultaron un total de 30 casos o simulaciones cuyos resultados son sintetizados a continuación. La modelación fue realizada en régimen permanente con la máxima precisión posible del programa (mínima tolerancia de cálculo). 4.6.1.3 Resultados obtenidos La variable analizada fue el tirante o máxima profundidad del canal, en términos del error relativo respecto del tirante calculado para la geometría representada por 100 puntos. La sección de análisis se ubicó a 500 m del extremo aguas abajo, es decir, a la mitad del tramo considerado. La forma de calcular el error relativo es la siguiente: e N =
donde
( y N − y100 ) y100
(93) .100
e N = error relativo entre la sección de N puntos y la de 100, y N = Tirante calculado con la sección de N puntos, y y100 = Tirante calculado con la sección de 100 puntos.
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58
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Los resultados se muestran en el Anexo D como un conjunto de doce gráficos, seis pertenecientes a cada una de las pendientes analizadas, en donde los primeros tres indican la variación del error con el número de puntos considerados para un único n de Manning y diferentes valores de caudal. Los tres restantes muestran la misma variación para un determinado valor de caudal y distintos valores del coeficiente n. En la Figura 26 se observa un ejemplo de los gráficos resultantes de la variación del error en función del número de puntos para diferentes caudales, manteniendo constante la pendiente de fondo y el coeficiente Manning. Para la misma pendiente de fondo, en la Figura 27 en cambio, manteniendo constante caudal en 6,00 m 3 /s, se observa la modificación del error en función del cambio de la rugosidad. Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.018
9.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
% Error
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00 1
10
Nº de Puntos
100
Figura 26. Variación porcentual de e N en función del número de puntos, para diferentes caudales (pendiente 0,0002 y coeficiente de Manning 0,018).
Sensibilidad de HEC-RAS para Q=6.0m 3/s
3.00
% Error
n=0.015
2.50
n=0.018 2.00
n=0.025
1.50 1.00 0.50 0.00
1 -0.50
10
Nº de Puntos
100
Figura 27. Variación porcentual de e N en función del número de puntos, para diferentes coeficientes de Manning (pendiente 0,0002 y caudal 6,00 m 3 /s).
Tal como fuera previsto, en estos gráficos se puede observar: que el error decrece rápidamente a medida que aumenta el número de puntos considerados. EDGAR M. CASTELLÓ
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También se puede apreciar que para un determinado valor de la pendiente de fondo y coeficiente de rugosidad de Manning, el error disminuye a medida que los caudales aumentan; mientras que para un determinado caudal y pendiente de fondo el error decrece cuando las rugosidades se incrementan. En cuanto a las pendientes se puede observar que el error es mayor cuando mayor es la pendiente de fondo del canal. Como conclusiones de este análisis de sensibilidad es posible puntualizar que: • • • •
el error es inversamente proporcional al número de puntos considerados, el error es inversamente proporcional al caudal, el error es inversamente proporcional a la rugosidad, el error es directamente proporcional a la pendiente de fondo, para la sección analizada, representando el sector circular con 10 puntos, en todos los casos de simulación planteados arrojó un error menor al 1%.
De acuerdo al valor mínimo obtenido de 10 puntos, para las posteriores simulaciones fue adoptado un número de 20 puntos para representar el sector circular de ambas secciones en tolva mostradas en la Figura 4. La adopción de esta discretización del sector circular se encuentra ligada a la definición del parámetro de rugosidad de la sección, el cual será analizado a continuación. 4.6.2 Calibración de la rugosidad 4.6.2.1 Formulación empleada Los modelos seleccionados para la simulación hidráulica del canal, descriptos en el apartado 4.5, emplean ambos para la estimación de las pérdidas de energía por fricción al producto de la pendiente de fricción S f por la longitud L del tramo de canal, según la ecuación (10). La pendiente de fricción es determinada mediante la ecuación de Manning, cuya formulación es la siguiente (Chaudhry, 1993): Q=
AR 2 / 3 S f
1 / 2
(94)
n
o bien S f =
donde
EDGAR M. CASTELLÓ
Q A R Sf n k
k gAR 4 / 3
Q V
(95)
= = = = = =
caudal, área, radio hidráulico, pendiente de fricción, coeficiente de rugosidad de Manning, g n2 para el sistema métrico de unidades, y g(n/1,49)2 para el sistema US consistente, y V = velocidad, 60
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g = aceleración de la gravedad. El uso del valor absoluto en la ecuación (63) convierte a la pendiente de fricción S f en una magnitud con sentido y asegura que las fuerzas debido a la fricción siempre se opongan al flujo. El mayor inconveniente en la utilización de la ecuación de Manning es la determinación del coeficiente de rugosidad “n”, debido a que no existe un método exacto para su selección.
4.6.2.2 Coeficiente rugosidad de Manning Según las distintas bibliografías consultadas, entre las que se destaca la de Chow (1994) respecto de este tema, presentan diferentes métodos para la estimación de este coeficiente, en función de los datos que se disponen. En general, para la selección de este coeficiente se deben conocer los factores que ejercen mayor influencia y las relaciones entre ellos. A continuación se enumeran algunos de los factores más importantes tanto para canales artificiales y naturales: (i) Rugosidad superficial o de la pared del revestimiento, (ii) Presencia de vegetación, (iii) Irregularidad de la sección, (iv) Alineación del canal en planta, (v) Sedimentación o socavación, (vi) Obstrucciones, (vii) Tamaño y forma del canal, (viii) Tirante y caudal, (ix) Cambio estacional, (x) Material en suspensión y carga de fondo. En la bibliografía clásica, es común encontrar tablas que sugieren el valor del coeficiente Manning en función de los materiales de la pared. Algunas de las más completas, como Chow (1994), considera además, si se trata de conductos cerrados o canales a superficie libre, tipo de terminación, canales artificiales o naturales, etc. proporcionando valores mínimos, normales o máximos como rangos entre los que se debe encontrar este coeficiente, y una serie fotografías con los valores de “n” asociados. Como se describe en 4.2, el canal Los Molinos se encuentra revestido de hormigón en su totalidad, pudiendo diferenciarse 3 tipos de terminación superficial de acuerdo al tipo de construcción y su época, es decir, según la tecnología disponible. En el primer tramo, de sección rectangular, fue construido con un encofrado de madera con una terminación bastante rugosa por la rebaba entre una tabla y otra. La primer sección en tolva (hasta Rafael García – Prog. 41086,8) posee un acabado más regular debido a que fue utilizada una llana y en paños de 5 a 6 m. El último tramo, el más reciente, fue construido con un encofrado metálico deslizante, resultando la mejor terminación de todo el canal. Según Chow (1994), para el tipo de revestimiento y construcción de los tramos con flujo a superficie libre en el canal Los Molinos, recomienda en las tablas respectivas coeficientes de Manning desde 0,013 a 0,017. Para el diseño de conductos cerrados sugiere prácticamente los mismos valores. EDGAR M. CASTELLÓ
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De las ilustraciones de diferentes canales dadas por esta misma fuente, fueron rescatadas las fotografías que se exponen a continuación, en donde la Foto 6 muestra un canal de hormigón construido con una plataforma móvil para nivelación y pulimento, al cual le asigna un Manning de 0,014. Estas características constructivas, además de las dimensiones y forma, se asemejan al canal Los Molinos para los tramos donde este se encuentra en buen estado. En los tramos donde el canal analizado presenta roturas, resulta similar al caso de la Foto 6, la cual corresponde a un canal de hormigón sin alisado con la superficie cubierta de algas y fondo con pequeñas dunas de sedimentos finos arrastrados. A esta ilustración, en la bibliografía mencionada se le asigna un coeficiente de Manning de 0,018.
Foto 5: n = 0.014 (Fuente: Chow, 1994).
Foto 6: n = 0.018 (Fuente: Chow, 1994).
4.6.2.3 Calibración del “n” de Manning Lamentablemente, no fue posible hallar memorias de cálculo con este dato para el diseño del canal Los Molinos. No obstante, aplicando la ecuación (94) en algunos tramos de este canal, fueron estimados coeficientes de 0,014 a 0,019 para las secciones rectangular (4) y tolva (2) con los caudales de diseño de 8 y 12 m 3 /s (ver apartado 4.2), respectivamente. Con estos valores de rugosidad estimados a priori, fueron evaluados los tirantes para los caudales aforados de 1,95 y 2,65 m 3 /s. Los resultados se compararon con las profundidades relevadas, en los tramos detallados en la Figura 5 del apartado 4.3.1 para el caudal de 2,65 m 3 /s; mientras que para el caudal de 1,95 m 3 /s se muestran los puntos adicionados donde fueron relevados los tirantes en la Figura 28. De la aplicación directa de la ecuación de Manning, las diferencias encontradas fueron notables (n variable de 0.022 a 0.044), aunque eran previsibles debido a los resultados obtenidos del relevamiento topográfico, donde se observaron pendientes de fricción diferentes a las fondo (apartado 4.4.2.2.1). Estas diferencias promovieron al levantamiento de un mayor número de tirantes (ver Figura 5), sobre todo en la zona afectada por la curva de remanso originada debido al brusco cambio de pendiente de 1,00 a 0,15 m/Km, en el paso de la sección (1) rectangular a la sección (2) en tolva del Tramo A (Prog. 2768,70). Dada a la influencia de las curvas de remanso citadas, fue necesario recurrir a la aplicación de los modelos presentados en 4.5, para lograr una adecuada calibración del coeficiente de Manning, contemplando una distribución espacial del mismo y no puntual para cada sección aforada. EDGAR M. CASTELLÓ
62
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Figura 28: Ubicación de los puntos de medición para caudal de 1,95 m 3 /s.
4.6.2.3.1
Aplicación de HEC-RAS y SWMM
En función de las características hidráulicas del canal Los Molinos, compuesta por una secuencia de tramos de canales con flujo a superficie libre y flujo a presión en las obras de cruce (sifones invertidos), se debió recurrir al empleo de los modelos HEC-RAS y SWMM, los cuales permiten una adecuada simulación de estas particularidades hidráulicas. HEC-RAS posee grandes condiciones en la modelación de flujo a superficie libre, necesaria para la visualización de las curvas de remanso; mientras que SWMM permite la simulación de flujo a presión en los sifones, además del flujo en canales, lo cual requiere de una vinculación entre ambos modelos. El tramo establecido para la calibración, desde el azud La Quintana (Prog. 9,00) hasta la Ruta Nacional Nº 36 (Prog. 20097,86), contiene los 3 sifones más importantes de todo el canal (zona militar, arroyo San José y el río Anizacate, ver Figura 52), totalizando unos 3900 m de longitud de sección entubada en este tramo, es decir, el 80% de todos los conductos a lo largo de los 62 Km de canal. Desde la salida del sifón del río Anizacate (Prog. 13078) hasta la Ruta 36 existe una distancia de aproximadamente de 7000 m sin obras que alteren el régimen del flujo, lo cual permite el desarrollo de flujo uniforme en este tramo para el rango de caudales empleados en la calibración (1,95 y 2,65 m 3 /s). Además en este tramo fue verificado el flujo uniforme según se detalla en los resultados del relevamiento topográfico (4.4.2.2.1). Cabe destacar que algunas de las combinaciones del análisis de sensibilidad expuesto en 4.6.1, para un tramo de canal en tolva, fueron simuladas en SWMM para comparar los resultados de ambos modelos. Los tirantes obtenidos fueron idénticos debido a que los dos modelos resuelven, aunque de maneras diferentes, las mismas ecuaciones.
EDGAR M. CASTELLÓ
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Sin embargo, SWMM requiere una gran discretización de los tramos de canal para estimar, por ejemplo, una curva de remanso. El problema en la fragmentación del tramo puede oponerse a la condición de Courant dada en la ecuación (68), o bien, a las limitaciones propias del programa respecto de la cantidad de elementos (conductos, nodos, etc.), o generar tiempos computacionales excesivos. 4.6.2.3.2
Representación de las transiciones
Debido a las características de la programación de cada modelo empleado, la vinculación entre los modelos fue realizada en los extremos de las secciones de canal con flujo a superficie libre, en el límite de las transiciones de ingreso o salida de los sifones. En general, todas las transiciones tienen fuertes pendientes que alteran los resultados en HEC-RAS; mientras que su geometría es prácticamente imposible de ser representada en SWMM. También dependiendo de la magnitud del intervalo de cálculo ∆t , se requiere mayor longitud para que verifique la condición de Courant de la ecuación (68). Las modificaciones propuestas para la longitud de las transiciones, y de cualquier conducto que no verificó la condición de Courant, fue la siguiente: (96)
L≥ ∆ t gD
donde
L = ∆t = g = D =
longitud del conducto, paso de tiempo, aceleración de la gravedad, y máximo tirante en el conducto.
Con la nueva longitud de cada conducto fueron estimadas las rugosidades equivalentes, a partir de la relación (88), mediante la igualdad en la ecuación de Manning para el conducto real y el equivalente, estableciendo que la pendiente de fricción es idéntica para ambos: 2/3
Ar Rr nr
donde
r e n A R S
= = = = = =
=
Ae Re
(97)
2/3
ne
(subíndice) indica conducto existente o real, (subíndice) indica conducto equivalente, coeficiente de Manning, sección transversal, radio hidráulico del conducto, y pendiente del gradiente hidráulico.
Suponiendo que las transiciones pueden ser representadas por canales rectangulares, cuyo ancho b y alto H son determinados por los promedios del ancho de boca y la profundidad hidráulica, respectivamente, entre la sección inicial y final de cada transición. Reemplazando las áreas y perímetros mojados en la ecuación anterior, se obtiene: ne = nr
EDGAR M. CASTELLÓ
Ae Re
2/3 2/3
Ar Rr
( be H e ) be H e ( br + 2H r ) = nr ( br H r ) br H r ( be + 2H e )
2/3
(98)
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Si la altura H es igual para el conducto real y el equivalente, resulta una relación entre los coeficientes de Manning y los anchos de la f orma: ne = nr
be
(99)
br
De esta manera se logra una síntesis en la representación del sistema, modificando la rugosidad equivalente para estabilizar la simulación para lo cual se necesita alterar el ancho de la transición. Luego de un gran número de modelaciones, fueron establecidas relaciones incrementales entre 4 y 5, es decir, 4 a 5 veces mayor el ancho y la rugosidad equivalente. 4.6.2.3.3
Relación entre niveles, caudales y rugosidades para cada sifón
Dado que el régimen en el canal es subcrítico (control de aguas abajo) con números de Froude inferiores a 0,15 para los caudales aforados, la modelación se inició desde aguas abajo hacia arriba. La condición de borde aguas abajo fue la del tirante normal que se desarrolla entre el sifón del Anizacate y la Ruta Nacional Nº 36, según se menciona en 4.6.2.3.1. Para cada uno de los sifones fueron estimados los niveles alcanzados por el agua para los caudales aforados (1,95 y 2,65 m 3 /s) variando los coeficientes de Manning desde 0,020 a 0,030, en intervalos de 0,0025, aplicados en forma homogénea en todo el tramo, es decir, la misma rugosidad para todo el canal. Este rango para los coeficientes fue adoptado en función de algunas corridas preliminares de los modelos, donde se observaron ciertos inconvenientes para lograr alcanzar los tirantes relevados. Es destacable que el límite superior de 0,030 para el coeficiente de Manning es más del doble aconsejado para el diseño de un canal de las características del analizado (0,014 según Chow, 1994). La discrepancia con los valores recomendados de rugosidad, radica fundamentalmente en el gran depósito de suelos en el fondo del canal, el cual permite además el crecimiento de algas las que aumentan aun más la resistencia al escurrimiento. El procedimiento para la determinación de los niveles a la entrada de cada sifón (o bien en los extremos de los tramos de canales) fue el siguiente: mediante la aplicación del modelo HEC-RAS fue calculado el tirante aguas abajo del sifón; posteriormente, este resultado fue cargado como condición de contorno aguas abajo del sifón en el modelo SWMM, determinando el nivel necesario a la entrada que permita vencer las pérdidas de carga en el conducto a presión. Este nivel, estimado al inicio de la transición, es cargado nuevamente como condición de contorno para HEC-RAS. Esta metodología fue aplicada sucesivamente a los tres sifones del tramo de calibración, para los 5 valores del coeficiente de Manning (0,020; 0,0225; 0,025; 0,0275 y 0,030) y los dos caudales aforados (1,95 y 2,65 m 3 /s). La Figura 29 muestra los resultados obtenidos en esta etapa para el caso del sifón del río Anizacate en las condiciones actuales, es decir, solo un tubo funcionando de diámetro 2,45 m (ver apartado 4.2 Descripción de la obra). En el Anexo E se muestran las relaciones entre tirantes, caudales y coeficientes de Manning para las entradas y salidas de estos 3 sifones del canal Los Molinos.
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Entrada sifón Anizacate Q = 1,95 m3/s
Q = 2,65 m3/s
2,50 2,00 ] m1,50 [ e t n a r 1,00 i T
0,50 0,00 0,0200
0,0225
0,0250
0,0275
0,0300
n
Figura 29: Tirantes en entrada del sifón Anizacate en función del “n” de Manning.
4.6.2.3.4
Determinación de la rugosidad
Calculadas las relaciones mostradas en la Figura 29 para los 3 sifones del tramo de calibración, fue generado un modelo del canal en HEC-RAS para poder observar gráficamente las curvas de remanso estimadas, junto con los tirantes observados o medidos para cada caudal. La Figura 30 muestra el perfil longitudinal de la modelación hidráulica a régimen permanente para el caso de caudal 1,95 m 3 /s y un “n” de Manning uniforme para todo el tramo de 0,025. En esta figura se observa el tramo desde el inicio hasta el sifón de la Zona Militar, el cual contiene las dos canaletas Parshall y el cambio de pendiente en el paso de la sección rectangular a la tolva. Este tipo de gráficos es una de las ventajas de HEC-RAS (citadas en 4.5.1), en el cual es posible comparar fácilmente los niveles alcanzados por el agua según la modelación (WS: por sus siglas en inglés) y los observados (Obs WS). Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
457 56500
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
Figura 30: Perfil longitudinal para caudal 1,95 m 3 /s y coeficiente de Manning 0,025.
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Para el mismo coeficiente de Manning con el caudal de 2,65 m 3 /s, se muestra en la Figura 31 el tramo comprendido entre el inicio del canal y Ruta 36, quedando incluido a la derecha el mismo tramo de la Figura 30 y los 3 sifones hacia aguas abajo. En el Anexo E se muestran los perfiles longitudinales de las modelaciones hidráulicas para las rugosidades y caudales restantes. Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461
ROB
460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s Ground
RUTA 36
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 TRANSICIÓN
457 SIFÓN Aº SAN JOSE
456 SIFÓN ANIZACATE
455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 31: Perfil longitudinal para caudal 2,65 m 3 /s y coeficiente de Manning 0,025.
En los perfiles longitudinales de la Figura 30 y Figura 31 es importante destacar la magnitud de las curvas de remanso que se generan en el canal Los Molinos. Debido a la baja pendiente del mismo, cualquier clase de obstáculo produce largas curvas de remanso hacia aguas arriba. En la Tabla 5 se resumen los niveles de agua simulados y observados en los puntos de medición, para cada uno de los coeficientes de Manning y caudales aforados. En esta tabla también se observan las diferencias entre los tirantes y se resalta el valor de rugosidad que genera la menor sumatoria del cuadrado de las diferencias. Los resultados de la Tabla 5 fueron graficados de diferentes maneras, por ejemplo para el caso de la Figura 32 se muestran los tirantes calculados y observados en la Prog. 17405,50, la intersección proporciona el valor del coeficiente de Manning para esa sección. Sin embargo, para establecer un coeficiente para cada sección sería necesaria una gran cantidad de mediciones. Por esta razón, para promediar los errores, fueron realizadas las curvas mostradas en la Figura 33 para la suma de los errores cuadráticos de las progresivas aforadas. Los errores mínimos oscilan alrededor de un coeficiente Manning de 0,025.
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Tabla 5: Comparación entre los tirantes observados y simulados para los diferentes valores de Manning y caudales aforados Q = 1.95 Tirante Tirantes Calculados para cada "n" Error para cada "n" Prog. Obs. 0,020 0,0225 0,025 0,0275 0,030 0,020 0,0225 0,025 0,0275 278,70 0,494 0,4553 0,4909 0,5254 0,5588 0,5911 0,0387 0,0031 -0,031 -0,065 542,40 0,508 0,4573 0,493 0,5275 0,5607 0,5932 0,0507 0,015 -0,019 -0,053 907,50 0,551 0,4626 0,4981 0,5323 0,5648 0,5963 0,0884 0,0529 0,0187 -0,014 1033,15 0,555 0,473 0,5068 0,5394 0,5704 0,6004 0,082 0,0482 0,0156 -0,015 1560,33 0,586 0,47 0,5104 0,5514 0,5925 0,6348 0,116 0,0756 0,0346 -0,006 2159,10 0,693 0,6169 0,6827 0,7474 0,8075 0,8703 0,0761 0,0103 -0,054 -0,115 2440,87 0,898 0,8239 0,8917 0,958 1,0189 1,0833 0,0741 0,0063 -0,06 -0,121 2936,74 1,244 1,101 1,1685 1,2349 1,2951 1,3596 0,143 0,0755 0,0091 -0,051 Sumatoria 0,669 0,2869 -0,087 -0,44
0,030 -0,097 -0,085 -0,045 -0,045 -0,049 -0,177 -0,185 -0,116 -0,8
0,020 0,0015 0,0026 0,0078 0,0067 0,0135 0,0058 0,0055 0,0204 0,0638
Error^2 para cada "n" 0,0225 0,025 0,0275 1E-05 0,001 0,0042 0,0002 0,0004 0,0028 0,0028 0,0003 0,0002 0,0023 0,0002 0,0002 0,0057 0,0012 4E-05 0,0001 0,003 0,0131 4E-05 0,0036 0,0146 0,0057 8E-05 0,0026 0,0169 0,0098 0,0378
0,030 0,0094 0,0073 0,0021 0,0021 0,0024 0,0314 0,0343 0,0134 0,1023
Q = 2.65 Tirante Tirantes Calculados para cada "n" Prog. Obs. 0,020 0,0225 0,025 0,0275 0,030 0,020 2159,10 1,083 0,8016 0,8806 0,9636 1,0443 1,1054 0,2814 2248,30 1,096 0,8651 0,9446 1,0284 1,1097 1,1705 0,2309 10514,00 1,348 1,1669 1,2576 1,3595 1,4262 1,5294 0,1811 10767,00 1,32 1,1388 1,2352 1,3446 1,4115 1,5212 0,1812 17127,50 1,55 1,328 1,4074 1,4785 1,5494 1,6176 0,222 17405,50 1,528 1,3299 1,4092 1,4801 1,5507 1,6188 0,1981 Sumatoria 1,2947
0,030 -0,022 -0,074 -0,181 -0,201 -0,068 -0,091 -0,638
0,020 0,0792 0,0533 0,0328 0,0328 0,0493 0,0392 0,2867
Error^2 para cada "n" 0,0225 0,025 0,0275 0,041 0,0143 0,0015 0,0229 0,0046 0,0002 0,0082 0,0001 0,0061 0,0072 0,0006 0,0084 0,0203 0,0051 4E-07 0,0141 0,0023 0,0005 0,1137 0,027 0,0167
0,030 0,0005 0,0056 0,0329 0,0405 0,0046 0,0082 0,0923
Error para cada "n" 0,0225 0,025 0,0275 0,2024 0,1194 0,0387 0,1514 0,0676 -0,014 0,0904 -0,011 -0,078 0,0848 -0,025 -0,091 0,1426 0,0715 0,0006 0,1188 0,0479 -0,023 0,7904 0,2703 -0,167
Prog. 17405,50 (entre sifón Anizacate y Ruta 36) Calculado
Observado
2,00 1,80 ] m1,60 [ e t n a r 1,40 i T
1,20 1,00 0,0200
0,0225
0,0250 n
0,0275
0,0300
Figura 32: Determinación del coeficiente de Manning por sección de medición.
Sumatoria del Error^2 vs. n de Manning Q = 1,95 m3/s 0.35 0.30 0.25 2 r 0.20 o r r E 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0200
0.0225
Q = 2,65 m3/s
0.0250
0.0275
0.0300
n
Figura 33: Variación de la suma de las diferencias en función del “n” de Manning.
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Cabe recordar que el relevamiento de los tirantes para el caudal de 1,95 m 3 /s fue realizado en su mayoría sobre la sección rectangular; mientras que para el caudal de 2,65 m3 /s, 4 de las 6 secciones correspondieron a secciones tolva. Para la determinación definitiva del valor de la rugosidad resulta necesario considerar algunas de las observaciones realizadas en campaña. Es notable que el desarrollo de algas se acentúe a partir del cambio de pendiente en la sección en tolva, las velocidades medias se reducen de 0,75 a 0,45 m/s en esta última. Los sedimentos transportados se asientan en el fondo permitiendo en desarrollo de algas con el consiguiente aumento de la rugosidad. Por otro lado, el tramo rectangular de mayor pendiente y velocidad, con menor desarrollo de algas, posee la terminación superficial más rugosa del canal (por el tipo de encofrado de madera). Según Chow (1994), al establecer diferentes valores de los factores que afectan a la rugosidad, entre otros, el efecto de la vegetación, para un valor “bajo” agrega al valor del coeficiente “n” inicial del canal entre 0,005 y 0,010. Es decir, que para un revestimiento de hormigón, con un coeficiente inicial de 0,015, para un desarrollo de vegetación bajo, este coeficiente aumentaría a 0,020 o 0,025, valores próximos a los resaltados en la T abla 5. En el caso del tramo en tolva, resulta ventajosa la formación del tirante normal en el tramo entre el sifón del Anizacate y la Ruta 36, lo cual permitió la estimación directa de este coeficiente debido a la formulación de la ecuación de Manning. Para las dos secciones que fueron relevadas en este sector, el valor promedio del coeficiente de Manning estimado fue de 0,0271. En síntesis, para la modelación de la situación actual del canal fueron adoptados coeficientes de Manning de 0,0247 para la sección rectangular y 0,0256 para la sección en tolva del tramo de calibración. Cabe destacar que sería conveniente ajustar estos valores para un rango más amplio de caudales, en épocas diferentes del año y en un mayor número de secciones, sobre todo hacia aguas abajo donde el canal se encuentra deformado. Necesariamente, estas mediciones de tirantes deberían apoyarse paralelamente a un levantamiento topográfico de todo el canal, para realizar un diagnóstico detallado del mismo en la situación actual, diseñar las obras de mejoramiento y rehabilitación y su respectivo cronograma de ejecución. 4.6.3 Simulación hidráulica Establecidos los datos necesarios para la simulación hidráulica de todo el canal, basados en esta etapa en la geometría de proyecto, además de los datos relevados y las rugosidades estimadas, fueron combinados nuevamente los modelos SWMM y HECRAS para la determinación de la capacidad de la obra en los diferentes sectores. Fueron planteadas distintas combinaciones de geometrías y coeficientes de rugosidad, principalmente analizando las secciones de diseño, actuales y futuras para el cruce del río Anizacate. En primer lugar, suponiendo que la rugosidad de proyecto fue adoptada en función de las recomendaciones bibliográficas con un valor de 0,015 para el coeficiente de Manning, fue realizada la modelación a régimen permanente de todo el canal con la geometría de proyecto, recordando que para el cruce del río Anizacate habían sido diseñados dos conductos de hormigón armado de diámetro 2,85 m.
EDGAR M. CASTELLÓ
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Posteriormente, fue planteado el supuesto que el canal no tuviera fallas estructurales a lo largo de su traza, pero debido al desarrollo de algas y sedimentos depositados en el fondo, los valores de rugosidades fueron establecidos según los estimados en el presente informe (apartado 4.6.2.3.4). En esta etapa, la modelación más importante fue referida a la determinación de la capacidad actual del canal en el tramo hasta la Ruta Nacional Nº 36, incluyendo el sifón del Anizacate. De acuerdo con las características actuales de la obra y de la información disponible, los resultados de este caso de modelación revisten de total certidumbre para el mencionado tramo. A continuación se desarrollan los escenarios de simulación planteados a régimen permanente. 4.6.3.1 Geometría de proyecto del canal Los Molinos – Córdoba En función de los distintos antecedentes recopilados sobre el canal y de la recorrida de campo, fue realizado un modelo hidráulico de los 61,885 Km del canal, incluyendo todos los tipos de secciones, los 15 sifones, la alcantarilla de la Ruta 36, derivaciones, aforadores, etc. El modelo completo del canal fue volcado en SWMM mediante el cual fueron generadas las relaciones altura – caudal (curvas H-Q) de entrada y salida en cada uno de los sifones. En HEC-RAS fueron cargadas estas curvas H-Q en las secciones extremas del flujo a superficie libre, interpolando los tramos de canal cada 10 m aproximadamente, permitiendo observar las curvas de remanso con una definición aceptable. Para la rugosidad fue adoptado un valor homogéneo de 0,015 del coeficiente de Manning para la totalidad del canal. Los caudales establecidos para esta modelación fueron aumentando progresivamente de 0 a 4 m 3 /s en intervalos de 0,50 m 3 /s, y en intervalos de 1 m3 /s desde 4 m3 /s en adelante. Las condiciones de contorno aguas abajo fueron generadas suponiendo flujo uniforme a régimen permanente. Como la última sección del canal Los Molinos (antes de unirse al canal Maestro Sur) es rectangular de hormigón con una pendiente longitudinal de 0,70 m/Km fue estimada la curva H-Q mediante las ecuaciones correspondientes en planillas de cálculo. La Tabla 6 muestra las relaciones H-Q estimadas con SWMM a la entrada y salida de los 15 sifones del canal, indicando las progresivas de cada uno y las cotas alcanzadas por el agua para los correspondientes caudales, suponiendo el escenario de proyecto.
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Tabla 6: Relaciones altura – caudal de los sifones según geometría de proyecto. Sifón Progresivas Nombre 3819,73 Militar 4397,84 5256,33 Aº San José 7219,92 11518,51 Río Anizacate 13004,96 26568,11 FFCC 26643,51 39079,81 Camino 39177,81 41373,60 Acc. R.García 41484,00 42718,30 FFCC 42923,10 49374,40 Bajo Grande 49459,60 51100,00 Pugliese 51247,60 53840,80 Camino 53900,00 54409,44 Ferrero 54499,84 55844,83 Delgado 55924,83 56647,69 San Carlos I 56743,29 60627,70 San Carlos II 60806,50 61061,22 Camino 61130,82 Nombre Progresivas Sifón
0,50 457,817 457,598 457,395 457,163 456,275 455,698 453,589 453,593 452,136 452,138 451,360 451,360 451,125 451,121 450,140 450,130 449,834 449,824 449,420 449,410 449,328 449,328 449,176 449,166 449,133 449,123
1,00 457,9 92 457,8 03 457,6 45 457,3 83 456,395 455,898 453,799 453,793 452,306 452,298 451,570 451,550 451,345 451,321 450,340 450,320 450,044 450,024 449,660 449,640 449,578 449,558 449,426 449,416 449,373 449,363
1,50 458 ,152 457 ,963 457 ,835 457 ,553 456,485 456,048 453,959 453,943 452,446 452,438 451,740 451,710 451,505 451,471 450,510 450,480 450,214 450,184 449,850 449,830 449,768 449,738 449,626 449,596 449,553 449,533
-
-
-
2,00 458,332 458,143 458,035 457,723 456,565 456,208 454,119 454,103 452,606 452,598 451,920 451,880 451,685 451,631 450,690 450,650 450,404 450,354 450,020 449,970 449,908 449,868 449,696 449,656 449,573 449,533
-
2,50 458,422 458,243 458,135 457,803 456,615 456,298 454,209 454,193 452,696 452,678 452,020 451,970 451,785 451,721 450,790 450,740 450,504 450,444 450,120 450,070 450,008 449,958 449,786 449,736 449,653 449,603 447,920 447,910 447,848 447,838 0,50
Caudal [m3/s] 3,00 3,50 4 58,542 45 8,6 52 4 58,363 45 8,4 83 4 58,265 45 8,3 85 4 57,903 45 7,9 73 456,695 456,795 456,398 456,498 454,319 454,419 454,293 454,393 452,816 452,966 452,798 452,948 452,150 452,280 452,080 452,200 451,905 452,025 451,821 451,921 450,930 451,060 450,860 450,980 450,644 450,774 450,564 450,684 450,260 450,390 450,200 450,320 450,138 450,258 450,068 450,178 449,906 450,016 449,846 449,936 449,753 449,853 449,683 449,763 448,120 448,270 448,090 448,230 448,028 448,168 448,008 448,138 1,00 1,50 Caudal [m3/s]
4,00 458,76 2 458,58 3 458,48 5 458,04 3 456,895 456,588 454,519 454,483 453,106 453,078 452,400 452,300 452,145 452,021 451,190 451,090 450,904 450,794 450,530 450,440 450,378 450,288 450,136 450,036 449,943 449,843 448,420 448,370 448,308 448,258 2,00
5,00 458,962 458,783 458,685 458,163 457,125 456,748 454,689 454,643 453,366 453,338 452,640 452,500 452,355 452,181 451,450 451,320 451,164 451,024 450,790 450,670 450,618 450,488 450,346 450,216 450,123 449,983 448,710 448,600 448,558 448,478 3,00
6,00 459, 162 458, 973 458, 885 458, 303 457,235 456,898 454,849 454,793 453,636 453,598 452,880 452,710 452,585 452,351 451,720 451,570 451,434 451,244 451,050 450,890 450,858 450,688 450,556 450,386 450,303 450,123 448,970 448,850 448,808 448,698 4,00
7,00 4 59,352 4 59,143 4 59,065 4 58,413 457,410 457,028 454,989 454,933 453,956 453,918 453,250 453,050 452,945 452,671 452,080 451,900 451,754 451,534 451,310 451,120 451,078 450,878 450,756 450,556 450,473 450,243 449,250 449,080 449,048 448,908 5,00
8,00 45 9,542 45 9,313 45 9,245 45 8,523 457,585 457,158 455,359 455,293 454,526 454,498 453,960 453,760 453,615 453,311 452,580 452,370 452,184 451,934 451,630 451,420 451,358 451,128 450,976 450,726 450,643 450,373 449,530 449,320 449,298 449,118 6,00
La derivación a la planta de Bower fue asignada como constante en todos los casos de 2,00 m3 /s, por lo tanto, para los 2 sifones existentes aguas abajo de esta derivación los caudales de las curvas H-Q se reducen en 2,00 m 3 /s (ver Tabla 6). Para establecer la condición de contorno al final del canal Los Molinos también fue descontado este caudal. Este escenario de modelación fue interrumpido en 7,00 m 3 /s debido a se advirtieron desbordes en algunos sectores del canal, motivando grandes errores de continuidad en SWMM. Los problemas se observaron a partir del sifón de la Prog. 39079,81 y desde este sector en forma ininterrumpida hasta el sifón de Delgado (Prog. 55844,83). En el perfil longitudinal de la Figura 34 se muestran los tramos con desbordes para el canal completo; en la Figura 35 se observan detalladamente estos derrames para el Tramo B.
EDGAR M. CASTELLÓ
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Modelación con geometría de proyecto
462
Legend
RUTA 36
WS Q = 7 m3/s
460
Ground ROB
458
) m ( n ó i c a v e l E
456
DESBORDES
SIFÓN ANIZACATE
454 452 450 448
DERIVACIÓN A PILAR
DERIVACIÓN A PLANTA LOS MOLINOS
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 34: Perfil longitudinal total para 7,00 m 3 /s con geometría de proyecto.
Es importante destacar que hasta la Prog. 41108 (fin Tramo A - derivación a Pilar) el caudal de diseño fue de 12 m 3 /s, y el Tramo B, desde esta progresiva en adelante, de 8 m3 /s. Vale decir que el canal nunca tuvo la capacidad de proyecto en estos tramos, ya que para el caudal de 7 m 3 /s ocurrirían desbordes aguas arriba del último sifón del Tramo A (aguas arriba de la derivación) y en los primeros 15000 m del Tramo B (ver Figura 35). Modelación con geometría de proyecto
454
Legend WS Q = 7 m3/s
453
Ground ROB
452 ) m ( n ó i c a v e l E
DERIVACIÓN A PILAR
451
450
449
448
447
DERIVACIÓN A PLANTA LOS MOLINOS
5000
10000
15000
20000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 35: Perfil longitudinal Tramo B, desborde para 7,00 m 3 /s, geometría de proyecto.
Los motivos de esta reducción en la capacidad hidráulica evidentemente se producen en el final del Tramo A debido a la curva de remanso que origina la cresta del partidor en la derivación a Pilar (ver Figura 34). Para el caso del Tramo B los desbordes son provocados por la secuencia de sifones diseñados en el sector, generando importantes controles de salida hacia aguas arriba y, consecuentemente, la necesidad de mayor carga aguas arriba para vencer dicho control. Cabe recordar que la porción del Tramo B que es excedido por los tirantes según la presente modelación, coincide con parte del trayecto más afectado por las fallas estructurales actuales del canal (de acuerdo a la descripción del Anexo A). Para el caso particular del sifón del río Anizacate se muestra en la Figura 5 la curva H-Q calculada según la geometría de proyecto. El perfil longitudinal de la Figura 37 muestra para este escenario el funcionamiento sin inconvenientes del sifón para el caudal de diseño de 12 m 3 /s.
EDGAR M. CASTELLÓ
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Sifón Río Anizacate. Curva H-Q según geometría de proyecto. Entrada
Salida
458,5 458,0 ] 457,5 m n s 457,0 m [
s a 456,5 t o C
456,0 455,5 455,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
Caudal [m3 /s]
Figura 36: Sifón Anizacate, Curvas H-Q de entrada y salida para geometría de proyecto.
m 8 8 . 5 2 d a d i d n u f o r P
Longitud Total 1456.95 m
Figura 37: Sifón Anizacate, perfil longitudinal para secciones de proyecto, caudal 12 m 3 /s.
Aguas arriba del sifón del Anizacate la capacidad límite el canal es de 10 m 3 /s, según los cálculos realizados en esta etapa con la geometría de proyecto. Este límite se encuentra en el tramo de canal entre los sifones de la zona Militar y del arroyo San José (entre Prog. 4397,84 y Prog. 5256,33). Estos resultados ponen de manifiesto las ventajas brindadas por las herramientas computacionales actuales, como las empleadas en este trabajo, las cuales permitieron establecer que el canal Los Molinos – Córdoba nunca tuvo la capacidad de diseño, quedando limitada a 6 m 3/s el caudal de llegada a la planta de Bower o al Canal Maestro Sur. 4.6.3.2 Geometría de proyecto con las rugosidades actuales En esta etapa fue planteado el caso hipotético en el cual el canal no tuviera fallas estructurales en ningún sector, es decir, con la geometría de proyecto. Únicamente fue considerado que la rugosidad en toda su traza posea los valores estimados en el apartado 4.6.2.3.4, debido al desarrollo de algas y sedimentos depositados en el fondo, factores no contemplados en la selección de las rugosidades de diseño.
EDGAR M. CASTELLÓ
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Específicamente, los coeficientes de Manning empleados en esta simulación fueron de 0,0247 para las secciones rectangulares y 0,0256 para las tolvas. El rango de caudales fue conservado igual que en el caso anterior. Las condiciones de contorno aguas abajo, de la misma manera que el escenario anterior, fueron generadas suponiendo flujo uniforme para la sección rectangular. La Tabla 7 muestra las relaciones H-Q a la entrada y salida de los sifones con las dimensiones de proyecto pero con la rugosidad actual. En este escenario de modelación los desbordes se presentaron en algunos sectores para un caudal de 5,00 m 3 /s, a partir del cual se detuvo la simulación, debido a que la pérdida de agua en la ecuación de continuidad de SWMM, no permite la construcción adecuada de las curvas H-Q. Tabla 7: Relaciones altura – caudal de los sifones con geometría de proyecto con la rugosidad actual. Sifón Progresivas Nombre 3819 ,73 Militar 4397 ,84 5256 ,33 Aº San José 7219 ,92 11518 ,51 Río Anizacate 13004 ,96 26568 ,11 FFCC 26643 ,51 39079 ,81 Camino 39177 ,81 41373 ,60 Acc. R.García 41484 ,00 42718 ,30 FFCC 42923 ,10 49374 ,40 Bajo Grande 49459 ,60 51100 ,00 Pugliese 51247 ,60 53840 ,80 Camino 53900 ,00 54409 ,44 Ferrero 54499 ,84 55844 ,83 Delgado 55924 ,83 56647 ,69 San Carlos I 56743 ,29 60627,70 San Carlos II 60806,50 61061,22 Camino 61130,82 Nombre Progresivas Sifón
0,50 45 7,93 2 45 7,64 3 45 7,55 5 45 7,17 3 45 6,26 5 45 5,69 8 45 3,59 9 45 3,59 3 45 2,23 6 45 2,23 8 45 1,38 0 45 1,36 0 45 1,13 5 45 1,11 1 45 0,15 0 45 0,13 0 44 9,84 4 44 9,82 4 44 9,44 0 44 9,42 0 44 9,34 8 44 9,32 8 44 9,17 6 44 9,15 6 44 9,11 3 44 9,10 3
1,00 458,172 457,913 457,855 457,393 456,395 455,898 453,809 453,793 452,466 452,458 451,610 451,560 451,365 451,311 450,380 450,330 450,074 450,024 449,720 449,670 449,618 449,568 449,456 449,416 449,363 449,333
1,50 4 58,382 4 58,133 4 58,085 4 57,543 4 56,495 4 56,048 4 53,969 4 53,943 4 52,656 4 52,648 4 51,810 4 51,730 4 51,565 4 51,471 4 50,580 4 50,500 4 50,294 4 50,204 4 49,960 4 49,890 4 49,848 4 49,778 4 49,666 4 49,606 4 49,563 4 49,503
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-
-
Caudal [m3/s] 2,00 2,50 3,00 458 ,562 4 58,7 32 458, 892 458 ,323 4 58,4 93 458, 653 458 ,275 4 58,4 45 458, 605 457 ,673 4 57,7 63 457, 833 456 ,585 4 56,7 05 456, 865 456 ,178 4 56,2 98 456, 398 454 ,109 4 54,2 39 454, 359 454 ,073 4 54,1 93 454, 293 452 ,846 4 53,0 66 453, 276 452 ,828 4 53,0 48 453, 248 452 ,000 4 52,1 70 452, 350 451 ,890 4 52,0 30 452, 180 451 ,735 4 51,8 95 452, 055 451 ,601 4 51,7 21 451, 821 450 ,770 4 50,9 70 451, 170 450 ,660 4 50,8 30 451, 010 450 ,484 4 50,6 84 450, 894 450 ,364 4 50,5 34 450, 704 450 ,140 4 50,3 40 450, 550 450 ,040 4 50,2 20 450, 390 449 ,998 4 50,1 78 450, 358 449 ,898 4 50,0 48 450, 198 449 ,776 4 49,9 46 450, 096 449 ,676 4 49,8 06 449, 936 449 ,613 4 49,7 43 449, 873 449 ,503 4 49,6 03 449, 683 447,970 448,240 447,940 448,180 447,898 448,148 447,868 448,098 0,50 1,00 Caudal [m3/s]
3,50 45 9,0 52 45 8,7 93 45 8,7 55 45 7,9 13 45 6,9 95 45 6,4 98 45 4,4 69 45 4,3 93 45 3,4 76 45 3,4 48 45 2,5 30 45 2,3 20 45 2,2 05 45 1,9 21 45 1,3 90 45 1,2 00 45 1,1 04 45 0,8 94 45 0,7 50 45 0,5 70 45 0,5 48 45 0,3 48 45 0,2 56 45 0,0 56 44 9,9 93 44 9,7 63 448,490 448,400 448,378 448,298 1,50
4,00 459,2 02 458,9 43 458,9 05 457,9 83 457,1 15 456,5 88 454,5 79 454,4 83 453,6 86 453,6 48 452,7 30 452,4 90 452,3 95 452,0 61 451,6 30 451,4 10 451,3 34 451,0 84 450,9 70 450,7 60 450,7 38 450,5 08 450,4 26 450,1 86 450,1 23 449,8 43 448,740 448,620 448,598 448,498 2,00
5,00 45 9,50 2 45 9,21 3 45 9,18 5 45 8,13 3 45 7,35 5 45 6,74 8 45 4,77 9 45 4,66 3 45 4,14 6 45 4,09 8 45 3,27 0 45 2,98 0 45 2,92 5 45 2,51 1 45 2,16 0 45 1,90 0 45 1,82 4 45 1,50 4 45 1,39 0 45 1,12 0 45 1,09 8 45 0,79 8 45 0,73 6 45 0,41 6 45 0,36 3 44 9,98 3 449,200 449,030 449,018 448,858 3,00
Nuevamente los problemas fueron observados a partir del sifón de la Prog. 39079,81 hasta el sifón de Delgado (Prog. 55844,83). Los causantes de los desbordes fueron los mismos factores determinados para el caso anterior (final del Tramo A: originados por el derivador a Pilar; y para el Tramo B: por la gran cantidad de sifones en serie). La Figura 38 muestra el perfil longitudinal de la modelación hidráulica del Tramo B y los desbordes para un caudal de 5 m 3 /s para la geometría de proyecto y las rugosidades actuales. Cabe recordar que este tramo del canal debería permitir el paso de 8,00 m 3 /s.
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Geometria de Proy - Rugosidad Calibrada
454
Legend WS Q = 5 m3/s
453
Ground ROB
452 ) m ( n ó i c a v e l E
DERIVACIÓN A PILAR
451
450
449
448 DERIVACIÓN A PLANTA LOS MOLINOS
447
5000
10000
15000
20000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 38: Desbordes en el Tramo B para 5,00 m 3 /s, con geometría de proyecto y coeficientes de Manning calibrados.
Analizando puntualmente el sifón del río Anizacate con los mencionados valores de rugosidad presentó la curva H-Q mostrada en la Figura 39. La Figura 40 muestra el perfil longitudinal de esta obra funcionando para un caudal de 8,00 m 3 /s. Sifón Anizacate. Curva H-Q, geometría de proyecto, n = 0,0256. Entrada
Salida
458,5 458,0 ] 457,5 m n s 457,0 m [
s 456,5 a t o C
456,0 455,5 455,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
Caudal [m3 /s]
Figura 39: Sifón Anizacate, Curvas H-Q con las secciones de proyecto y n = 0,0256.
m 8 8 . 5 2 d a d i d n u f o r P
Longitud Total 1456.95 m
Figura 40: Sifón Anizacate, perfil longitudinal para caudal de 8,00 m 3 /s para geometría de diseño y rugosidades actuales.
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Según los cálculos realizados en este escenario, aguas arriba del sifón del Anizacate la capacidad límite estaría en el orden de 7,00 m 3 /s. Nuevamente, esta limitación se produce en el tramo de canal entre los sifones de la zona Militar y del arroyo San José (entre Prog. 4397,84 y Prog. 5256,33). Como conclusión de la modelación de este escenario supuesto, con el canal de proyecto sin fallas estructurales pero con las rugosidades ajustadas, fue posible observar que la limitación de la capacidad del canal se encuentra en los sifones del Tramo B, a solo 4,00 m3/s; mientras que el sifón del Anizacate llegaría a más de 8,00 m 3 /s. 4.6.3.3 Situación actual Con todos los antecedentes recopilados, además de la información recabada en las recorridas de campo, se pudo constatar que el canal desde su inicio en el azud de La Quintana hasta que cruza la Ruta 36, en general, ha conservado la geometría de proyecto, por supuesto, descartando el sifón bajo el río Anizacate. Como fuera comentado en 4.2 y en el Anexo A, este sifón fue diseñado con dos conductos de 2,85 m de diámetro, uno de los cuales (el izquierdo) por problemas constructivos nunca entró en funcionamiento. El conducto derecho, actualmente en operación, tuvo que ser reforzado con una camisa interna de hormigón armado de 0,20 m de espesor, reduciendo el diámetro interior a 2,45 m. En esta etapa del trabajo fue planteada la modelación de la situación actual del canal, sin considerar las fallas estructurales aguas abajo de la Ruta 36, debido a que no fueron obtenidos los datos del relevamiento topográfico del canal. Esta simulación fue realizada con el objeto principal de conocer la capacidad actual de los primeros 20 Km del canal, incluido el sifón Anizacate. Los coeficientes de Manning, los rangos de caudales, las condiciones contorno, etc. empleados en esta simulación son idénticos que en el caso anterior. Debido a las características de flujo subcrítico en el canal, las relaciones H-Q de la Tabla 7 solo resultan diferentes para el sifón Anizacate y los situados aguas arriba de éste. La Tabla 8 muestra las relaciones H-Q de estos tres sifones para la situación actual. Para los restantes sifones aguas abajo los resultados se mantienen idénticos a los de la simulación del caso anterior, es decir, que los desbordes se producen en los mismos sectores (Tramo B) y para los mismos caudales (5,00 m 3 /s) que el escenario anterior. Tabla 8: Relaciones altura – caudal de la situación actual del sifón Anizacate y los situados aguas arriba del mismo. Sifón Progresivas Nombre 3819,73 Militar 4397,84 5256,33 Aº San José 7219,92 11518,51 Río Anizacate 13004,96
0,50 457,932 457,643 457,555 457,163 456,275 455,698
1,00 458,172 457,913 457,855 457,373 456,415 455,898
1,50 458,372 458,133 458,075 457,523 456,545 456,048
Caudal [m3/s] 2,00 2,50 3,00 458,562 458,732 458,892 458,313 458,483 458,653 458,265 458,435 458,605 457,573 457,673 457,853 456,875 457,195 457,545 456,178 456,298 456,398
3,50 459,072 458,833 458,795 458,103 457,915 456,498
4,00 459,292 459,063 459,035 458,453 458,345 456,588
5,00 459,992 459,813 459,805 459,383 459,305 456,748
Aguas arriba del sifón Anizacate, entre los sifones de la zona Militar y del arroyo San José (entre Prog. 4397,84 y Prog. 5256,33) se produciría una limitación de la capacidad hidráulica escasamente inferior a 5,00 m 3 /s para la situación actual.
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Para la situación actual, la curva H-Q para el sifón del Anizacate se muestra en la Figura 41 y el perfil longitudinal con un caudal de 4,00 m 3 /s en la Figura 42. Analizando la curva H-Q de la situación actual, se observa una marcada reducción de la capacidad de esta obra respecto del escenario de proyecto 12,00 m 3 /s (Figura 5), y también con la geometría de proyecto pero con las rugosidades actuales (Figura 39), para la cual resulta una capacidad superior a 8,00 m 3 /s.
Sifón Anizacate. Curva H-Q, Situación Actual. Entrada
Salida
458,5 458,0 ] 457,5 m n s 457,0 m [ s 456,5 a t o C
456,0 455,5 455,0 0,0
2,0
4,0
6,0 Caudal
8,0
10,0
12,0
[m3 /s]
Figura 41: Curvas H-Q del sifón Anizacate para la situación actual.
m 8 8 . 5 2 d a d i d n u f o r P
Longitud Total 1456.95 m
Figura 42: Sifón Anizacate, situación actual, perfil longitudinal para caudal de 4,00 m 3 /s.
La capacidad estimada para el sifón del Anizacate en la situación actual (un conducto de 2,45 m) fue de 4,28 m 3/s. Según información suministrada por personal de DiPAS, este sifón tendría una capacidad de 4,4 m 3 /s. Resulta pertinente destacar la existencia del vertedero lateral aguas arriba de este sifón, cuyo objetivo es volcar los excesos de agua en el canal hacia el río. La cota del labio de este vertedero se encuentra 0,40 m por debajo del coronamiento de la sección tolva, reduciendo de esta manera la capacidad del sifón debido a la disminución de las alturas de carga posibles aguas arriba. El vertedero lateral fue proyectado para permitir que ante una emergencia los 12 m 3 /s del canal pudieran ser evacuados hacia el río Anizacate. Teniendo en cuenta la cota y las
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dimensiones de este vertedero lateral, la capacidad calculada para la situación actual del conducto de 2,45 m del sifón Anizacate fue de 3,77 m 3/s sin que existan desbordes al río. Analizando la totalidad del canal para este escenario actual, es importante señalar la uniformidad en las capacidades de cada uno de los sectores, la cual quedaría en el orden de los 4,00 m3/s. Considerando las fallas estructurales aguas abajo de la Ruta Nacional Nº 36, en función de la información recopilada y de las observaciones realizadas in-situ, es posible afirmar que la capacidad actual del canal, en algunos sectores, quedaría restringida a menos de 3,00 m 3 /s. Pero considerando los recrecimientos existentes laterales del canal, que en algunos sectores colapsados cuentan con alturas superiores al metro, aumentando el tirante de agua, se mantiene la capacidad en el orden de 4,00 m3 /s. Del análisis de estos resultados se desprende que no es necesario realizar reparación alguna del sifón del Anizacate si no se incrementa la capacidad del canal aguas abajo en la zona de fallas. Además de las reparaciones de la estructura del canal, una alternativa para aumentar la capacidad en esta zona con problemas es el reemplazo de algunos sifones por canal, levantando la rasante de los caminos u obras sorteadas. Los valores enunciados muestran que la capacidad actual del canal es muy inferior a la adoptada para su diseño, y también menor a la necesaria para satisfacer las necesidades de agua potable en la zona Sur del Gran Córdoba para el corto y mediano plazo. Considerando además la demanda de riego para la zona Sur, y recordando que la planta Los Molinos en Bower potabiliza a la fecha 2,00 m 3 /s, indefectiblemente se presentarán en la actualidad graves conflictos en la satisfacción de ambos usos del recurso si no se toman medidas para el mejoramiento y rehabilitación de este trasvase. 4.6.3.4 Escenarios futuros Debido a la información recopilada y a la falta de un relevamiento de detalle de todo el canal y las correspondientes fallas estructurales citadas, esta etapa fue orientada a la modelación hidráulica de las obras de reparación y rehabilitación del sifón Anizacate. En este sector, la empresa Aguas Cordobesas contrató un levantamiento topográfico y un estudio geomorfológico del tramo de río. Como fuera descripto en los objetivos de este trabajo (sección 2), dentro de las tareas desarrolladas en vinculación con la empresa Aguas Cordobesas y la Provincia (a través de DiPAS), respecto de la reparación y mantenimiento de las obras de abastecimiento para agua potable al Gran Córdoba, fue realizado específicamente el análisis de alternativas de cruce del río Anizacate. De las alternativas evaluadas oportunamente fueron seleccionadas a partir de una evaluación técnico-económica las siguientes: -
Reparación del conducto izquierdo (actualmente fuera de operación), Ejecución de un puente canal.
Al tratarse de un estudio preliminar de estas alternativas, las capacidades hidráulicas de cada una fueron estimadas mediante aproximaciones o fórmulas expeditivas. También es conveniente destacar que en aquella oportunidad, no habían sido realizadas aún las
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calibraciones de los coeficientes de rugosidad, por lo tanto, los valores empleados fueron extraídos de las recomendaciones bibliográficas, tal como se describe en 4.6.2.2. De acuerdo con los resultados obtenidos en el presente estudio, para establecer un caudal de diseño en esta obra sería conveniente evaluar las siguientes condiciones respecto de las rugosidades del canal: -
Sin limpieza, con las rugosidades actuales (coeficiente de Manning ≈ 0,025); Con limpieza del canal, tratando de reducir los coeficientes a valores de 0,015.
Además, para cada una de estas rugosidades resulta necesario analizar las capacidades límites del canal, tanto aguas arriba como aguas abajo del cruce del río Anizacate. Este análisis fue realizado bajo la hipótesis de ejecución de las obras de rehabilitación necesarias en el canal, es decir, restituyendo las secciones y pendientes de proyecto, geometría evaluada en los puntos anteriores. 4.6.3.4.1
Reparación del conducto izquierdo
La capacidad hidráulica en esta alternativa fue supuesta oportunamente de 4,40 m 3 /s para cada conducto de 2,45 m diámetro. Estas estimaciones fueron realizadas por personal del Departamento de Estudios y Proyectos de la DiPAS, que según los resultados mostrados en 4.6.3.3 serían bastante próximos al no considerar el vertedero lateral. En esta etapa fue evaluada mediante los modelos hidráulicos empleados la capacidad del sifón para dos conductos de diámetro interno 2,45 m, suponiendo que el tubo actualmente fuera de servicio sería reparado de manera similar. Combinando los coeficientes de rugosidad Manning (con o sin limpieza) y analizando los resultados de la simulación hidráulica por tramos, fue establecida la capacidad límite del canal para esta alternativa. En la Tabla 9 se muestra un resumen de estas combinaciones y la ubicación del sector crítico. Tabla 9: Capacidades por sectores del canal para diferentes valores de rugosidad. Situación "n" de de Limpieza Manning SIN Limpieza 0,0256 CON Limpieza 0,015
TRAMO Aguas Arriba Sifón Anizacate Q límite Lugar Q límite 6,56 Sifón Z. Militar 6,53 10,10 Sifón Z. Militar 8,67
Q límite 4,23 6,03
Aguas Abajo Lugar Sifón Prog. 53840,8 Sifón Prog. 53840,8
En la Tabla 9 se observa que si las condiciones de limpieza se mantienen como hasta la actualidad, aun reparando los sectores con fallas estructurales, es decir, retornándole al canal la geometría de proyecto, la capacidad del mismo quedaría limitada a 4,23 m 3 /s en la zona del Tramo B donde los sifones se encuentran muy próximos (ver Figura 35). En el caso que el canal sea reparado, y además se realicen las tareas de limpieza adecuadas para reducir los valores de rugosidad, generados por los sedimentos depositados en el fondo y el desarrollo de algas, la capacidad del canal queda condicionada en la misma zona del Tramo B a unos 6,00 m 3 /s.
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Conforme a este análisis, la capacidad del sifón Anizacate estaría entre 6,53 y 8,67 m 3 /s según las condiciones de limpieza (ver Tabla 9), ya que el diámetro interno de 2,45 m quedaría subordinado al espesor del fuste a construir. Complementariamente a la reparación del conducto izquierdo, fue prevista una protección de las crecidas en la zona del cauce del río mediante un dique de gaviones aguas abajo y un revestimiento de colchonetas sobre los conductos. La Figura 43 muestra un corte transversal de la protección prevista; mientras que en la Figura 44 se observa el perfil longitudinal por el eje de los conductos.
Figura 43: Protección de los conductos en el cauce del río Anizacate. Corte transversal.
Figura 44: Protección de los conductos en el cauce del río Anizacate. Perfil longitudinal.
Tanto para alternativa de reparación del conducto izquierdo, como para el puente canal, fue evaluado el comportamiento del río mediante la modelación hidráulica con HEC-RAS para un caudal de 1250 m 3 /s correspondiente a la crecida del 31 de Enero de 1975 (AyEE, 1975). En esta etapa se contó además con un informe fotogeomorfológico de la tendencia evolutiva del río en la zona del sifón, solicitado por la empresa Aguas Cordobesas (Barbeito et al., 2001b). En dicho trabajo se concluye que “en la zona del sifón la tendencia lateral y erosiva del río hacia la margen derecha desbordando y erosionando el borde de la terraza inferior, constituye sin lugar a dudas la situación potencial de amenaza más significativa que compromete a la obra existente. El carácter friable que compone el nivel de terraza significa erosión de márgenes de intensidad muy alta en crecientes ordinarias y excesiva y muy rápida en crecientes extremas, con alta probabilidad de arrastre de la tapada actual del sifón”.
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El diseño definitivo de la obra de protección de los conductos deberá considerar este fenómeno de alto riesgo y de relativa probabilidad de ocurrencia, debido a que este río no se encuentra regulado. 4.6.3.4.2
Construcción de un puente canal
Teniendo en cuenta los resultados mostrados en la Tabla 9, la capacidad de cualquier obra futura de cruce en el río Anizacate deberá estar sujeta a los caudales posibles de transitar en otros tramos del canal, sobre todo aguas abajo donde se dan las mayores restricciones. Suponiendo que el canal fuera reparado completamente en el tramo afectado, y también contara con una limpieza periódica reduciendo los valores de rugosidad, la capacidad hidráulica en el tramo del cruce de este río se encontraría en los 6,00 m 3 /s. Si además se considera que los sifones del Tramo B fueran mejorados o reemplazados por otras obras, tales como puentes o alcantarillas, podría recuperarse en el mejor de los casos la capacidad prevista de 8,00 m 3 /s para este tramo. Cuando fue analizado el puente canal, se atribuyó un caudal de diseño de 8,80 m 3 /s, es decir, el doble del caudal evaluado por DiPAS para el sifón en funcionamiento, con el cual fue predimensionada la sección mostrada en la Figura 45 con un coeficiente de Manning de 0,015. Esta sección fue verificada estructuralmente suponiendo luces de 60 m entre pilares y puente lanzado como tecnología constructiva. Oportunamente, cuando fue realizado el cómputo para el análisis económico de esta obra se evaluaron distintas longitudes de la viga canal versus terraplén de avance, encontrándose la variante más económica para 12 tramos de 60 m. Para esta longitud de puente, una crecida del río Anizacate de 1250 m 3 /s no alcanzaría los estribos, es decir, que no se produce la contracción o estrechamiento del flujo, minimizando el impacto de la obra.
Figura 45: Sección predimensionada para el puente canal.
La altura de la sección de 2,30 m fue prevista debido a la cota del vertedero lateral existente aguas arriba, pero podría aumentarse en el diseño definitivo tomando los recaudos necesarios para que los excesos de agua en el canal no ingresen al puente.
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Por otro lado, para simplificar los cálculos, en esta etapa la traza del puente canal fue supuesta igual a la de los sifones existentes. Esto sería físicamente imposible para realizar la fundación el puente. La modelación hidráulica del tramo al ser a superficie libre fue realizada con HEC-RAS y los perfiles longitudinales resultantes se muestran en la Figura 46 para caudal de 8,00 m3 /s y Manning de 0,015; mientras que la Figura 47 para un caudal de 6,00 m 3 /s y las rugosidades actuales (n = 0,0256). Modelacion futura con Pte Canal
459
Legend WS Q = 8 m3/s Ground
458
) m ( n ó i c a v e l E
ROB
457
456
455 PUENTE CANAL
454 48000
48500
49000
49500
50000
50500
51000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 46: Perfil longitudinal de la modelación hidráulica del puente canal para 8,00 m 3 /s y coeficiente de Manning de 0,015 (con limpieza). Modelacion futura con Pte Canal
459
Legend WS Q = 6 m3/s Ground
458
) m ( n ó i c a v e l E
ROB
457
456
455
PUENTE CANAL
454 48000
48500
49000
49500
50000
50500
51000
Distancia Canal Principal (m)
Figura 47: Perfil longitudinal de la modelación hidráulica del puente canal para 6,00 m 3 /s y coeficiente de Manning de 0,0256 (sin limpieza).
En estas figuras se puede observar que los tirantes alcanzados por el agua para cada caudal y condición de limpieza se encontrarían dentro de los límites analizados en la Tabla 9. Cabe destacar que durante la construcción del puente canal podrían continuar usándose el sifón existente sin interrumpir el servicio. Después de la habilitación del puente canal, sería posible la reparación de las pérdidas actuales del sifón en funcionamiento, teniendo de esta manera una capacidad total de 9,77 m 3 /s (6,00 + 3,77 m3 /s) en el cruce del río Anizacate.
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Otra ventaja sería la de contar con dos obras diferentes preparadas para resistir solicitaciones extremas distintas, es decir, una crecida extraordinaria del río afectaría al sifón y no al puente canal; de manera inversa ocurriría con un sismo. 4.6.4 Modelación hidrodinámica 4.6.4.1 Simulación en HEC-RAS El modelo del canal Los Molinos elaborado en HEC-RAS posee todos los detalles posibles para la simulación hidráulica con este programa, el cual permite además, la discretización de los tramos largos en la cantidad de intervalos que se deseen, siendo ésta una gran ventaja respecto de SWMM. El principal inconveniente de HEC-RAS se encuentra en la imposibilidad de modelar flujo en conductos cerrados a presión (sifones invertidos). Por otro lado, es pertinente aclarar que fueron encontradas algunas diferencias en la modelación de flujo permanente entre las versiones 2.2 y 3.0 de HEC-RAS. En algunos casos, fue observado que las modelaciones de la versión 3.0 posee ciertas inestabilidades numéricas en la determinación de curvas de remanso o en los cambios de régimen; mientras que los resultados correspondientes a la versión 2.2 son más firmes de acuerdo al razonamiento teórico de cada caso (Chow, 1994; Chaudhry, 1993). Por esta razón los resultados presentados en la sección anterior (4.6.3) fueron realizados con esta versión más estable. 4.6.4.2 Simulación en SWMM Las herramientas implementadas para la modelación computacional de este canal permiten la simulación hidrodinámica, de hecho, todos los valores obtenidos de SWMM en las secciones previas (4.6.3), fueron desarrollados para hidrogramas de entrada constantes, y los resultados fueron extraídos una vez que el sistema llegaba a un régimen permanente. Vale decir, que de la aplicación de SWMM para cada una de las situaciones evaluadas en flujo permanente, se cuenta con un modelo en régimen impermanente de todo el canal. SWMM permite también la simulación de compuertas en el sistema, y pueden definirse diferentes parámetros para el accionamiento automático de las mismas dentro del modelo, como por ejemplo, los nodos que controlan la operación de la compuerta, el tirante para la apertura y cierre, el área, la tasa de tiempo para cierre o apertura, etc. A partir de las compuertas existentes en el canal, según se describen en el Anexo A, fueron cargadas en el modelo calibrado del canal, pero fue muy difícil ajustar los parámetros para el accionamiento de las compuertas. Además, se observó para este escenario impermanente una mayor inestabilidad numérica del modelo. Según James et al. (2001b), para sistemas complejos se recomienda que la relación entre las longitudes de los conductos se mantenga entre 4 a 5 veces respecto del conducto más corto. En el modelo generado para el canal Los Molinos existen tramos de sección uniforme, y sin singularidades, superiores a 12 Km de longitud. Recordando que las transiciones de ingreso a los sifones poseen 14 m de largo, la relación entre longitudes para dicho tramo resulta varios órdenes de magnitud mayor a la recomendada.
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Para respetar la relación de longitudes, los tramos de mayor extensión deberían estar entre 56 y 70 m, vale decir que se necesitarían más de 1000 tramos y uniones o nodos para representar los 62 Km de canal. Además, considerando que para los tramos cortos se necesitan intervalos de cálculo menores o iguales que 10 segundos debido a la condición de Courant, los tiempos computacionales se vuelven un condicionante para los procesadores disponibles. Los condicionantes mencionados originaron una reformulación de todo el modelo en SWMM, pero su finalización y ajuste fue postergado para etapas posteriores ya que sería prudente realizar esta laboriosa tarea con los datos de la topografía actual del canal. 4.6.4.2.1
Tiempos de traslado
Como fuera mencionado en 4.3.4.1, debido a las demandas actuales a satisfacer por el canal, no fue posible coordinar movimientos de las compuertas del canal para medir los tiempos de viaje de las ondas generadas por la apertura o cierre de las mismas. Este aspecto debería contemplarse en etapas futuras o cuando se realice el levantamiento topográfico de todo el canal. En la actualidad, la experiencia adquirida por el personal encargado del mantenimiento del canal, respecto de los tiempos de traslado de la onda, permite programar las reparaciones con membranas (Anexo A) sin interrumpir el suministro de agua. Estas tareas consisten en preparar los instrumentos y materiales en la zona a reparar, posteriormente se reducen los caudales erogados en el azud La Quintana a 2,00 m 3 /s. Operando la compuerta inmediatamente aguas arriba de la rotura se restringe el caudal a 1,00 m3 /s el cual es conducido mediante bombas en la zona reconstruida. En esta fase del estudio fue realizada la modelación hidrodinámica del canal para aportar las velocidades de propagación resultantes del modelo, las cuales deberán ser comparadas con las mediciones correspondientes. En las simulaciones fueron empleados los modelos del canal generados en 4.6.3 para el análisis a régimen permanente, pero variando el hidrograma de entrada dentro de los rangos de caudales actualmente conducidos por la obra. Las geometrías y rugosidades utilizadas corresponden las desarrolladas oportunamente en los apartados anteriores pero en sentido inverso 4.6.3.3, 4.6.3.2 y 4.6.3.1, es decir, en primer lugar la velocidad de propagación para la situación actual, y su contraste si fueran recuperadas las secciones de proyecto y posteriormente las rugosidades a través de la limpieza. Para simular las condiciones iniciales del canal, antes de ingresar el hidrograma en el azud La Quintana, resulta necesario que el sistema alcance el régimen desde su inicio hasta la derivación a la planta potabilizadora de Bower, aproximadamente unos 60580 m de distancia. Este régimen permanente se logra a partir de unas 60 horas de simulación con un caudal permanente. Los hidrogramas ingresados al canal pueden observarse en la Figura 48. El Tipo 1 responde a la introducción de un golpe de agua triangular de 1,00 a 3,00 m 3 /s con una base de 4 horas. El hidrograma Tipo 2 se ajusta mas a la realidad de las reparaciones, donde el caudal en el canal se reduce de los valores normales según las demandas desde 2,00 m 3 /s a 1,00 m3 /s, el cual puede ser transportado mediante conductos por bombeo. Fueron supuestas unas 12 horas de trabajo durante la reparación, y para todos los casos un movimiento de compuertas total de 2 horas, según los datos recopilados del
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personal encargado. La apertura y cierre de compuertas es muy lento debido a las relaciones de los engranajes en las reducciones para el accionamiento de las mismas. Hidrograma Tipo 1
Hidrograma Tipo 2
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
] s /
] s /
3
3
m [
m [
l 1,5 a d u a C
l 1,5 a d u a C
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
0,0
2,0
4,0
Tiempo [hs]
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
Tiempo [hs]
Figura 48: Hidrogramas de entrada para la simulación impermanente.
Para la situación actual, la Figura 49 y la Figura 50 muestran los resultados de la propagación de los hidrogramas Tipo 1 y 2 a través del canal, desde el azud la Quintana hasta la derivación a la planta potabilizadora de Bower.
Traslado hidrograma Tipo 1 - Situación Actual, n = 0,0256. Entrada 1
Salida 1
3,0 2,5 ] 2,0 s / m [ l 1,5 a d u a C 1,0
3
0,5 0,0 60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
110,0
120,0
Tiempo [hs]
Figura 49: Propagación del hidrograma Tipo 1 para la situación actual.
La Figura 49 muestra la propagación de una onda de crecida hipotética, resultando en tiempo de traslado del pico próximo a las 24 hs y una curva de recesión del hidrograma trasladado mayor a las 30 hs. De manera similar, en el caso de la Figura 50, una reducción en el hidrograma de entrada, resulta con un tiempo de llegada del valle próximo a las 24 hs; mientras que la recuperación o restablecimiento del flujo en el canal alcanza las 34 hs. En términos prácticos, la definición de este parámetro por parte del personal encargado del mantenimiento de la obra, se encuentra en 36 horas.
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Traslado hidrograma Tipo 2 - Situación Actual, n = 0,0256. Entrada 2
Salida 2
3,0 2,5 ] 2,0 s / 3 m [ l 1,5 a d u a C 1,0
0,5 0,0 60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
110,0
120,0
Tiempo [hs]
Figura 50: Propagación del hidrograma Tipo 2 para la situación actual.
La Tabla 10 muestra un resumen de los caudales pico a la salida, el tiempo transcurrido a ese caudal pico y las velocidades de propagación, para el caso de los hidrogramas Tipo 1. Esta velocidad debería ser considerada como promedio, dado que representa al tiempo de llegada del caudal pico tras recorrer prácticamente todo el canal (60580 m), atravesando todas las obras, secciones y particularidades de los tramos existentes. En realidad, realizando mediciones de campo de esta variable, la velocidad de propagación puede ser modelada y ajustada para cada tramo. Tabla 10: Resumen de los resultados de la propagación del hidrograma Tipo 1. Q pico Bower Tiempo pico [hs] [m3 /s] Actual; n = 0,0256 1,21 23,7 Geom. Proyecto; n = 0,0256 1,21 23,7 Geom. Proyecto; n = 0,015 1,25 21,0 Escenario
Velocidad Promedio [m/s] [Km/h] 0,71 2,56 0,71 2,56 0,80 2,88
De los resultados de la Tabla 10 se desprende que en general, el amortiguamiento del caudal pico oscila entre un 87,5 y 90 % para los valores analizados. Además, se observa que la velocidad de propagación promedio depende de la rugosidad del canal, y en menor medida de la geometría. Vale decir que si el canal fuera sometido a limpieza, deberían contemplarse las reducciones en la velocidad de propagación (12% aproximadamente). Resta aclarar que los valores estimados de la velocidad promedio de propagación resultaron muy próximos a los utilizados por el personal encargado del mantenimiento del canal para la programación de las reparaciones con membrana. Los resultados arribados forman parte de los conocimientos necesarios para posteriores estudios en el canal, que sumados a las reformulación del modelo hidrodinámico (mencionados en 4.6.4.2), al levantamiento topográfico de las zonas con fallas y a nuevas mediciones de tirantes, velocidades de onda y otras características del flujo, permitirán conformar un modelo acabado de esta importante obra.
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5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las conclusiones y recomendaciones del trabajo son enunciadas a continuación según el orden en que fueron desarrollados los temas más relevantes a lo largo del estudio, destacándose la determinación de la capacidad hidráulica para distintos tramos o sectores y escenarios planteados en el canal.
5.1 CONSIDERACIONES GENERALES 5.1.1 Aforometría Fueron realizados aforos en diferentes sectores del canal, todos ubicados aguas arriba de la Ruta 36 según se observa en la Figura 5. Este tramo el canal no presenta problemas estructurales, y en general, se encuentra en buen estado. Según los valores observados en la estructura de aforo en el ingreso al canal, los caudales estaban en el orden de 2,88 y 2,12 m 3 /s. De acuerdo a las mediciones realizadas con la colaboración el personal del Laboratorio de Hidráulica de la UNC (ver 4.3.4.1), fueron aforados caudales de 2,65 y 1,95 m 3 /s, respectivamente, dando una relación de un 8.7% en ambos casos, con lo cual es posible afirmar que la estructura existente sobrestima el caudal. Si bien las diferencias observadas entre el caudalímetro instalado en el azud de La Quintana y los aforos realizados por el personal del Laboratorio de Hidráulica de la UNC, se encuentran dentro los márgenes de error de cada tipo de medición, sería conveniente verificar la curva H-Q de la canaleta Parshall de La Quintana de manera que los errores en las futuras simulaciones hidráulicas se reduzcan. Por otro lado, se destaca la necesidad de incrementar la cantidad de mediciones, ampliando el rango de caudales a medir y la distribución de los mismos a lo largo de la traza del canal, ubicados estratégicamente (por ejemplo, al inicio y fin de cada tramo, obra de envergadura, sectores con pérdidas, entre otros). La cantidad, precisión y ubicación de las secciones de aforos estarán en función de los resultados a obtener, determinación del agua realmente transportada en el canal para distintos escenarios o rehabilitaciones, y/o de las necesidades de simulación mediante modelo hidrodinámico para maniobras de compuertas. Para poder implementar estos aforos, se deberá planificar conjuntamente con la empresa Aguas Cordobesas y la DiPAS, las fechas y horas en las cuales se operarán las compuertas de entrada al canal, en el azud La Quintana. Además, sería conveniente que estos aforos fueran apoyados en un relevamiento topográfico del sector (tal como fue realizado en el presente trabajo – ver 4.4.2.2.1) y vinculados a un sistema de apoyo general del canal, de manera que sea posible evaluar las curvas de remanso, tirante normal, etc. También sería de gran utilidad para la calibración de las modelaciones hidrodinámicas la medición de la variación de tirantes en el tiempo debido a las maniobras de compuertas. 5.1.2 Topografía Gran parte de la documentación de proyecto recopilada se halla disponible en la biblioteca de la DiPAS. Debido a las diferentes etapas de construcción y reparación de
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esta obra (incluso antes de la puesta en funcionamiento), fueron advertidos varios datos duplicados pero con diferentes valores. Principalmente, se encontraron diferencias en las longitudes parciales de los diversos tramos, y también en algunas de las secciones transversales de obras especiales (por ejemplo, canaletas Parshall, derivador a Pilar, sifones del Tramo B, etc.). En general, se hallaron dos o más valores distintos de algunos datos particulares, los cuales debieron ser verificados in-situ. En el caso de las longitudes también se encontraron discrepancias de acuerdo al relevamiento realizado con GPS. Según el navegador durante el relevamiento indicaba un error relativo entre 4 y 5 m en planta (típico en buenas condiciones de recepción de señal), la diferencia en la longitud total del canal fue de más 240 m, sobre los 61885 m establecidos en los antecedentes. Para poder realizar un trabajo acorde a la situación actual y futura de la obra, dada la importancia de la misma para el abastecimiento de agua al Gran Córdoba en los próximos años, es conveniente realizar un relevamiento topográfico de detalle de todo el canal, incluyendo el perfil longitudinal del mismo y la ejecución de perfiles transversales. Obviamente el alcance de este levantamiento topográfico para el canal deberá ser acorde a los resultados que deseen obtenerse. Debido a los problemas mencionados, se confirma la necesidad de un relevamiento exhaustivo en toda la traza del mismo, con un sistema de distintos grados de precisión, incluyendo planialtimetría, secciones transversales, zonas defectuosas, acometidas de los excedentes pluviales a los pasa aguas, y puntos fijos kilométricos para controles posteriores, en lo posible fuera de las zonas en las cuales se han registrado los colapsos de los suelos. Un nivel inferior de relevamiento debería incluir al menos un perfil longitudinal por el eje del canal (o por la banquina del mismo), con mayor detalle en las zonas de roturas y estructuras que afectan el flujo, como por ejemplo los sifones o el derivador a Pilar ubicado inmediatamente aguas arriba del cruce de la ruta Provincial C-45 (ver Anexo A Foto 59 y Foto 97). 5.1.3 Calibración del coeficiente de fricción Uno de los aspectos más relevantes evaluados en el presente trabajo de tesis se refiere a la estimación del coeficiente de fricción “n” de la ecuación de Manning. De acuerdo a la bibliografía clásica analizada (ver apartado 4.6.2), para el tipo de material de revestimiento y terminación superficial como la correspondiente al canal Los Molinos – Córdoba, se recomienda emplear valores de este coeficiente entre 0,013 y 0,018. A partir de los relevamientos de tirantes realizados y de los caudales aforados en distintos tramos del canal, fueron determinados para la situación actual coeficientes de Manning de 0,025, aproximadamente. Este valor es un importante antecedente respecto del efecto causado por el desarrollo de vegetación para este canal. Como fuera sugerido en las secciones previas, resulta conveniente ajustar estos valores para un rango más amplio de caudales, en épocas diferentes del año y en un mayor número de secciones, sobre todo hacia aguas abajo donde el canal se encuentra colapsado. Necesariamente, estas mediciones de tirantes deberían apoyarse paralelamente en el levantamiento topográfico mencionado. Con los nuevos datos de caudales y geometría relevados será posible completar y ajustar los modelos hidráulico e hidrodinámico implementados, para poder establecer con mayor
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precisión los caudales máximos posibles de transitar en los diferentes tramos y en las condiciones actuales y futuras del canal. Otro aspecto que resulta relevante, según las observaciones realizadas, fue posible advertir una importante variación de las rugosidades en algunos tramos debido diferente desarrollo estacional de las algas, el cual se maximiza en los periodos estivales coincidiendo con las mayores demandas del sistema. Resulta conveniente avanzar sobre esta hipótesis, para la cual se necesitará un importante número de mediciones en diferentes épocas del año. 5.1.4 Modelos numéricos empleados El canal Los Molinos – Córdoba posee en gran parte de su longitud flujo a superficie libre con una sección de canal en tolva. Aproximadamente unos 4900 m del canal corresponden a 15 sifones invertidos, los cuales pueden funcionar con flujo a presión o mixto en función del caudal transportado y las condiciones hidráulicas aguas abajo de los mismos. Mediante la aplicación de los modelos HEC-RAS (HEC, 1998 y mas recientes) y SWMM (U.S. EPA, 1992; James et al., 2001), se logró una adecuada representación de las características hidráulicas del canal. HEC-RAS permitió la simulación de los tramos con flujo a superficie libre y la visualización de las curvas de remanso generadas. El flujo a presión en los sifones existentes fue estimado por medio del modelo SWMM (4.3 Official Version - EPA, Mayo de 1994). En el caso del modelo HEC-RAS fueron evaluadas varias versiones del mismo, desde la 2.2 de septiembre de 1998, pasando por la versión 3.0 (HEC, 2001) hasta la 3.1.1 y 3.1.3 de mayo de 2005. Es importante destacar que se observaron grandes falencias en las modelación a régimen permanente utilizando la versión 3.0. Las versiones mas recientes permiten también la simulación de flujo impermanente, pero la estabilidad numérica resulta dificultosa en los cambios de régimen del flujo (canaletas Parshall, curvas de remanso, derivador a Pilar, etc.). En síntesis, se utilizaron los resultados proporcionados por la combinación de los modelos HEC-RAS y SWMM para las simulaciones en régimen permanente; mientras que en las situaciones de flujo impermanente solamente los del modelo SWMM. Una importante ventaja radica en la posibilidad de actualizar ambos modelos unidimensionales de uso corriente, tanto en los parámetros geométricos (roturas relevadas, propuestas de solución, etc.), calibraciones a partir de nuevas mediciones, como de nuevas versiones o evoluciones de estos software. 5.1.5 Análisis de sensibilidad Fue realizado un análisis de sensibilidad de la geometría para determinar el número necesario de puntos para representar la base curva de la sección en tolva. De este análisis fue posible establecer que el error o la diferencia en el tirante se reduce a medida que aumenta el número de puntos considerados, el caudal y la rugosidad, o bien si se reduce la pendiente de fondo. Para la sección analizada del canal, representando el sector circular con 10 puntos, en todos los casos de simulación planteados arrojó un error menor al 1%.
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De acuerdo al valor mínimo obtenido de 10 puntos, para las posteriores simulaciones fue adoptado un número de 20 puntos para representar el sector circular de ambas secciones en tolva (apartado 4.6.1.3). Los resultados arrojados por ambos modelos numéricos (HEC-RAS y SWMM) fueron prácticamente idénticos, con diferencias en las apreciaciones de los tirantes del orden de 5 milímetros. 5.1.6 Simulación hidrodinámica Respecto de la modelación hidrodinámica del canal se destaca el empleo del programa SWMM, mediante el cual se llegó a la elaboración de un acabado modelo de la totalidad del canal Los Molinos – Córdoba. Este programa permite además la simulación de compuertas y su accionamiento dentro del sistema simulado. Las compuertas existentes en el canal fueron inicialmente cargadas en el modelo del canal, pero se observó para este escenario impermanente una mayor dificultad numérica en el funcionamiento del programa y, además, resultó difícil el ajuste de los parámetros involucrados en el accionamiento de las compuertas. Para sistemas complejos como el conjunto de obras involucradas por el canal Los Molinos – Córdoba, James et al. (2001b) recomienda que la relación entre las longitudes de los conductos se mantenga entre 4 a 5 veces respecto del conducto más corto. Debido a las limitaciones de la versión del software (SWMM 4.3 Official Version, mayo de 1994), en el modelo generado para el canal, la relación de longitudes mencionada en algunos tramos es varios órdenes de magnitud mayor a la recomendada. Para respetar la relación de longitudes, se necesitarían más de 1000 tramos y uniones para representar los 62 Km de canal, versus los 250 disponibles en esta versión del modelo. Además, considerando que para los tramos cortos se necesitan intervalos de cálculo menores o iguales que 10 segundos debido a la condición de Courant (ver punto 4.5.2.2.3.1), los tiempos computacionales aumentan considerablemente. Los condicionantes mencionados originaron una reformulación de todo el modelo en SWMM, pero su finalización y ajuste fue postergado para etapas posteriores ya que sería prudente realizar esta laboriosa tarea con los datos de la topografía actual del canal. En la etapa de simulación hidrodinámica, no obstante las dificultades enunciadas, fueron alcanzados algunos resultados básicos para análisis posteriores. En esta etapa fue analizada la propagación de ondas de crecidas generadas por movimientos de compuertas hipotéticos, pero dentro de los rangos en los cuales se llevan a cabo en el canal. Para los hidrogramas establecidos, se observa un amortiguamiento del caudal pico entre un 87,5 y 90 %; mientras que la velocidad de traslado promedio de una onda o perturbación arrojó valores entre 2,5 y 2,9 Km/h. Estas velocidades se traducen en un tiempo de llegada de 24 horas, desde el azud La Quintana hasta la derivación a la Planta Potabilizadora. El restablecimiento del flujo posterior se alcanza a las 34 horas. Todos estos valores se encuentran muy próximos a los utilizados por el personal encargado del mantenimiento del canal para la programación de las reparaciones.
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5.2 CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL La determinación numérica y experimental de la capacidad hidráulica del canal Los Molinos – Córdoba fue el punto central en el presente trabajo de tesis. Para ello fueron evaluados diversos escenarios en régimen permanente para el canal combinando las geometrías diseño y las relevadas in-situ, con los coeficientes de rugosidad estimados y de proyecto. Estableciendo de esta manera la capacidad hidráulica de: a) diseño, b) actuales y c) futuras; estando referida esta última para el cruce del río Anizacate. Para la geometría de proyecto del canal y suponiendo valores del coeficiente de rugosidad de 0,015, fue calculada una capacidad máxima de 6,00 m 3 /s, es decir, que nunca hubiera sido posible conducir el caudal de 8,00 m 3 /s previsto en el diseño original del mismo, en el ingreso al sector de la ciudad. La zona de restricción en la capacidad mencionada ocurre en el Tramo B, aguas abajo de la localidad de Rafael García, debido a las curvas de remanso que generan la secuencia de sifones separados a muy poca distancia entre uno y otro. En la actualidad, este tramo es el más afectado por las fallas estructurales según se menciona en 4.2. Posteriormente fue supuesta para la misma geometría de proyecto pero con los valores de rugosidad calculados en el presente estudio de 0,025, aproximadamente. La capacidad evaluada para este escenario fue de 4,20 m 3 /s, cuya limitación fue encontrada en el mismo trayecto del Tramo B, detallado anteriormente. Para la situación actual del canal, con los datos de geometrías disponibles, el caudal máximo en el canal se reduce alrededor de 3,80 a 4,00 m 3 /s en el sifón del río Anizacate. En realidad, considerando las fallas estructurales aguas abajo de la Ruta Nacional Nº 36, en función de la información recopilada y de las observaciones realizadas in-situ, es posible afirmar que la capacidad actual del canal, en algunos sectores, quedaría restringida a menos de 3,00 m 3 /s. Si se consideran los recrecimientos existentes que en varios sectores superan ampliamente el metro de altura, el caudal alcanza aproximadamente los 4,00 m 3 /s estimados actualmente. Como escenarios futuros se analizaron las alternativas de reparación del conducto izquierdo y la construcción de un puente canal en el cruce del río Anizacate. De este análisis se destaca que el caudal de diseño de esta obra deberá estar acorde a la capacidad del canal en otros tramos, fundamentalmente en el Tramo B. Los valores estimados muestran que la capacidad actual del canal es muy inferior a la adoptada para su diseño, y también menor a la necesaria para satisfacer las necesidades de agua potable en la zona Sur del Gran Córdoba para el corto y mediano plazo. Si se tienen en cuenta, además, las demandas de riego en la zona Sur, y recordando que la planta Los Molinos en Bower potabiliza a la fecha cerca de 2,00 m 3 /s, indefectiblemente se presentarán de manera inminente graves conflictos en la satisfacción de ambos usos del recurso si no se toman rápidas medidas para el mejoramiento y rehabilitación de este trasvase.
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5.3 CONSIDERACIONES ADICIONALES Estos resultados ponen de manifiesto las ventajas brindadas por las herramientas computacionales actuales, como las empleadas en este trabajo, las cuales permitieron establecer las capacidades hidráulicas para distintas situaciones del canal Los Molinos – Córdoba. Además es importante destacar que han sido exitosamente aplicados dos modelos hidráulicos e hidrodinámicos en la totalidad del canal. De acuerdo a la información que pueda recopilarse en etapas posteriores, solamente se deberá agregar o bien reemplazar parcialmente dicha información dentro de los archivos de entrada de dichos modelos. De esta manera se podrá tener un modelo perfectamente calibrado para obtener el caudal máximo después de una limpieza del canal y por último, para estimar el máximo caudal posible de conducir después de la construcción de obras de mejoramiento y rehabilitación. Esta herramienta permitirá establecer el cronograma de obras necesarias para el aumento progresivo de la capacidad del canal. Por otro lado, del análisis de los resultados presentados se desprende que los caudales de diseño para las reparaciones o mejoras en el canal deberán estar acordes a las capacidades del sistema en su conjunto. Por ejemplo, no es necesario realizar reparación alguna del sifón del Anizacate sino se incrementa la capacidad del canal aguas abajo en la zona de fallas estructurales. Además de las reparaciones de la estructura del canal y de las tareas de limpieza necesarias, una alternativa para aumentar la capacidad en esta zona problemática (fundamentalmente el Tramo B), sería el reemplazo de algunos sifones por canal a cielo abierto (continuación de la sección tolva) y levantando la rasante de los caminos u obras atravesadas. También podría considerarse el recrecimiento de los muros laterales para permitir un mayor tirante, siempre y cuando la estructura y la fundación soporten esta sobrecarga. Esta técnica es empleada actualmente, excepto que el recrecimiento se realiza en forma rudimentaria sin ningún tipo de verificación. Particularmente, otra obra que genera restricciones en la capacidad es el derivador a Pilar, el cual se encuentra fuera de servicio, y las perspectivas que entre en funcionamiento son muy escasas. Sería conveniente realizar un relevamiento de esta obra y evaluar su eliminación total o parcial (al menos de la cresta), o bien mejorar las transiciones de ingreso y salida, retiro de compuertas, etc. A partir de los valores de rugosidad determinados en el presente estudio, la limpieza del canal, es uno de los factores prioritarios para mejorar la capacidad hidráulica. Las tareas de limpieza deberán enmarcarse dentro de las obras de ampliación, rehabilitación y mantenimiento de los pasa aguas, garantizando que los excedentes pluviales de las cuencas afectadas por el canal, y los sedimentos arrastrados por estas escorrentías, no ingresen al canal, asegurando una rápida evacuación de las mismas fuera de la zona de obra. Resulta importante acentuar el carácter esencial de esta obra para el desarrollo futuro de la zona Sur del Gran Córdoba, prevista desde hace ya 4 décadas. En función de los resultados arribados en este trabajo y de la incierta seguridad brindada por este trasvase para los requerimientos actuales, se pone en evidencia la necesidad de un replanteo total de la obra, desde la definición de los caudales de diseño y caudales disponibles (aprovechamiento Anizacate), reparación y reconstrucción de cada componente, comparando diferentes alternativas técnico–económicas, y evaluando fundamentalmente, la vulnerabilidad de cada una de éstas. EDGAR M. CASTELLÓ
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6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS •
Agua y Energía Eléctrica (1975): Aprovechamiento Hidroeléctrico Anizacate. Primera etapa: regulación – agua potable – riego. Provincia de Córdoba. Jefatura de Estudios y Proyectos Zona Centro.
•
Barbeito O., Massera L. y Ambrosino S. (2001a): Análisis fotogeomorfológico del cruce del río Anizacate entre la comuna de Villa La Bolsa y la confluencia con el río Los Molinos. Dirección Provincial de Agua y Saneamiento. Provincia de Córdoba.
•
Barbeito O. y Ambrosino S. (2001b): Análisis fotogeomorfológico de la tendencia evolutiva del río Anizacate en el cruce del canal Los Molinos – Córdoba. Empresa Aguas Cordobesas S.A., Dirección Provincial de Agua y Saneamiento. Provincia de Córdoba.
•
Castelló E. (2000): Evaluación de la disponibilidad de los recursos hídricos superficiales en el área del Gran Córdoba. Informe de beca al CONICOR. Programa de becas para el sector productivo, entidad cofinanciadora: Aguas Cordobesas S.A. Laboratorio de Hidráulica UN de Córdoba.
•
Castelló E., Rodríguez A., Moya G., Bartó C., Chini I. y Menajovsky S. (2000): Evaluación de alternativas para aprovechamiento del recurso hídrico superficial en el Gran Córdoba, Argentina. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica – Córdoba 2000. Córdoba, Argentina.
•
Chaudhry M. H. (1993): Open-Channel Flow. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.
•
Chow V. T. (1994): Hidráulica de Canales Abiertos. Ed. McGraw-Hill Interamericana S.A. Santa Fe de Bogotá. Colombia.
•
Chow V. T., Maidment D. R. y Mays L.W. (1994a): Hidrología Aplicada. Ed. McGrawHill Interamericana S.A. Santa Fe de Bogotá. Colombia.
•
Gavilán, J. G. (1971): Optimización del Uso del Agua en la Cuenca del Río I y II, Informe de Avance. Área de Estudio CTUA, INCYTH.
•
Hydrologic Engineering Center - HEC (1998): HEC-RAS. River Analysis System (version 2.2). User’s Manual and Hydraulic Reference Manual. US Army Corps of Engineers. Davis, California.
•
Hydrologic Engineering Center - HEC (2001): HEC-RAS. River Analysis System (version 3.0). User’s Manual and Hydraulic Reference Manual. US Army Corps of Engineers. Davis, California.
•
International Organization for Standardization (1988): International Standard ISO 2537 “Liquid flow measurement in open channels – Rotating element current-meters ”. Reference number ISO 2537:1988 (E).
•
James W. (ed.) (1999): New Applications in Modeling Urban Water Systems. Monograph 7, CHI Publications, Ontario, Canada.
EDGAR M. CASTELLÓ
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
•
James W. y James R. (2001a): Water System Models [1] HYDROLOGY. User’s Guide to SWMM4 Runoff and supporting modules. Published by CHI, Guelph, Ontario, Canada.
•
James W. y James R. (2001b): Water System Models [2] HYDRAULICS. User’s Guide to SWMM4 Transport, Extran and Storage modules. Published by CHI, Guelph, Ontario, Canada.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1970): Canal Los Molinos – Córdoba, Tramos I y II. Departamento Santa María, Córdoba. Legajo técnico. Departamento de Estudios y Proyectos. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1971): Canal Los Molinos – Córdoba, Tramo I. Departamento Santa María, Córdoba. Memoria descriptiva del proyecto. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1971): Canal derivador a Pilar Río Segundo. Departamento Santa María, Córdoba. Legajo técnico. Departamento de Estudios y Proyectos. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1972): Provisión de Agua a la Ciudad de Córdoba. Comisión Especial de Estudio. Dirección Provincial de Hidráulica. Córdoba.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1981): Canal Los Molinos – Córdoba, Tramo III. Departamento Santa María y Capital, Córdoba. Legajo técnico. Departamento de Estudios y Proyectos. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras y Servicios Públicos (1987): Reparación canal Los Molinos – Córdoba, Tramo I. Departamento Santa María, Córdoba. Legajo técnico. Departamento de Estudios y Proyectos. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras Públicas (1993): El sistema Los Molinos, una nueva fuente de agua para la ciudad de Córdoba. Secretaría de Difusión. Folleto sobre la inauguración del canal Los Molinos – Córdoba.
•
Ministerio de Obras Públicas (1994): Reparación canal Los Molinos – Córdoba, Tramo II. Departamento Santa María, Córdoba. Legajo técnico. Departamento de Estudios y Proyectos. Dirección Provincial de Hidráulica.
•
Ministerio de Obras, Servicios y Vivienda (1998): Reemplazo de tramos. Canal Los Molinos – Córdoba. Departamento Santa María, Córdoba. Dirección de Agua y Saneamiento, Sector Estudios y Proyectos.
•
Ministerio de Obras Públicas (2000): Puentes sobre el Canal Los Molinos – Córdoba. Dirección Provincial de Agua y Saneamiento Secretaria de Obras Públicas. Provincia de Córdoba.
•
Moya G., Castelló E., Rodríguez A., y Giovine L. (2002): Aprovechamiento del recurso hídrico superficial ante la ocurrencia de periodos de sequía en el Gran Córdoba, Argentina. XIX Congreso Nacional del Agua. Villa Carlos Paz, Córdoba, Argentina.
•
National Weather Service (1998): NWS FLDWAV Model. Theoretical Description and User Documentation. Hydrologic Research Laboratory. Maryland.
EDGAR M. CASTELLÓ
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•
Rodríguez, A.; Castelló, E.; Moya, G.; Menajovsky, S.; Bartó C. (1999) “Análisis de la Cantidad de Agua en el Sistema Suquía-Xanaes” – Primera Etapa, Laboratorio de Hidráulica, FCEFyN – UN de Córdoba.
•
Rodríguez, A. (2002): Apuntes de clases de Flujo a Superficie Libre Avanzado. Materia dictada en la Maestría en Ciencias de la Ingeniería, Mención en Recursos Hídricos. UN de Córdoba.
•
Rühle F. (1966): Gráficos Hidráulicos para el Diseño de Alcantarillas. Dirección Nacional de Vialidad. Traducción y adaptación de los gráficos preparados por la Sección Hidráulica, División Puentes - Oficina de Ingeniería y Operaciones -Bureau of Public Roads (1964), US.
•
Safege – Montgomery Watson (S/MW) (1999): Obras de Mejoramiento y Rehabilitación – Anteproyecto. Canal los Molinos. Aguas Cordobesas. Córdoba, Argentina.
•
Safege – Montgomery Watson (S/MW) (2000): Estudio Hidrológico Preliminar. Estudio de Factibilidad. Canal Los Molinos. Aguas Cordobesas. Córdoba, Argentina.
•
U.S. Environment Protection Agency (1992): Storm Water Management Model (version 4). User Manual. Environmental Research Laboratory. Georgia.
•
US Bureau of Reclamation (1970): Proyecto de Presas Pequeñas. Ed. Dossat. Madrid, España.
•
U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation (1978): Design of Small Canal Structures. Technical Services Publication. Denver, Colorado.
•
Weber, J. F. (2002): Apuntes de clases del curso “HEC-RAS básico: sistema de análisis de cursos fluviales”, a cargo del Dr. Ing. Andrés Rodríguez. UN de Córdoba.
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7 ANEXO A: RELEVAMIENTO Dentro de las tareas de campo se realizó un recorrido de la totalidad del canal para determinar el estado actual en el cual se encuentra el mismo. Los objetivos de este recorrido fueron: • • • • • • • •
Definición de los tramos del canal que presentan dificultades de cualquier orden para la capacidad hidráulica del mismo. Relevamiento de los problemas existentes. Análisis de las posibles causas de dichos problemas. Determinar la traza del canal por medio de un geoposicionador satelital (GPS). Relevamiento fotográfico. Relevamiento y análisis de datos aportados por lugareños. Información a suministrar por la empresa Concesionaria que realiza la operación y mantenimiento del canal. Definición de los sectores óptimos para las tareas de aforo. Verificación in-situ de los detalles técnicos de las principales obras.
Para obtener los mencionados objetivos se recorrieron los 61,885 Km del canal por el camino de servicio, que se encuentra transitable en la mayor parte de su longitud sobre la margen izquierda del mismo, lo que posibilitó con la ayuda de un GPS de tipo navegador la obtención de la traza del canal para posteriormente georeferenciarla sobre cartas del IGM (Instituto Geográfico Militar). La Figura 51 muestra la ubicación de los dos tramos principales Tramo A y B, con caudales de diseño de 12 y 8 m3/s respectivamente, de los cuales el Tramo A es discretizado en dos recorridos de 20 Km.
Figura 51: Ubicación de los tramos del canal Los Molinos – Córdoba sobre base IGM.
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7.1 TRAMO A Dentro del Tramo A resulta conveniente para su descripción separarlo en dos trayectos de aproximadamente 20 Km cada uno, de los cuales se presenta desde la Prog. 9 hasta la 20000 en la Figura 52 y se describen a continuación.
Figura 52: Ubicación y características del Tramo A - primera parte de Prog 0 a 20000.
La recorrida tuvo comienzo en el inicio del canal, en el azud La Quintana, cuya función es nivelar los caudales erogados por el turbinado de la central hidroeléctrica de Los Molinos II. En este lugar se pudo apreciar principalmente la obra de toma en la margen izquierda del río y que da origen al canal (Foto 7), y la compuerta ubicada en la Prog. 9 que determina el caudal a transportar en su recorrido (Foto 8).
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Foto 7
Foto 8
En el interior de la sala de operaciones de esta compuerta se observó el tablero de control de los dispositivos mecánicos automatizados que permiten el accionamiento de la misma (Foto 9). Dentro del recinto se encuentra instalado un caudalímetro que, mediante una estación de radio de onda corta, comunica los valores de caudal entrante al canal a la base ubicada en la localidad de Rafael García. En la Prog. 123,34 se encuentra una canaleta Parshall que genera una sección de control y permite la medición del caudal mediante la lectura del tirante aguas arriba de la canaleta por medio de una regla de aforo (Foto 10). Este tirante también es medido mediante un sensor de presión (ubicado en el pozo de aforo aguas arriba) que envía la señal al caudalímetro mencionado, el cual mediante la ley altura-caudal de la Parshall traduce estas señales a caudal y las emite a la base de Rafael García.
Foto 9
Foto 10
El canal empieza su recorrido con una sección rectangular de 5 m de ancho y una altura de 1,60 m, y una pendiente de fondo de 1 m/Km (0,001 m/m), minimizando de esta manera los costos de excavación en roca de este primer tramo (Foto 11). En la Prog. 1433,89 comienza un vertedero lateral que permite la descarga de caudales excedentes al río Los Molinos actuando como fusible ante cualquier eventualidad (Foto 12). Este vertedero posee treinta metros de desarrollo y está inmediatamente seguido de una trampa de sedimentos en el fondo que se limpia con la apertura de una compuerta, cuya descarga se une a los excedentes del vertedero lateral y son conducidos hasta el río que se encuentra a unos 50 m. Esta operación se realiza desde el interior de una pequeña sala de control ubicada sobre la margen derecha del canal.
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Foto 11
Foto 12
A escasos metros aguas abajo de la trampa de sedimentos, en la Prog. 1503.89, se encuentra ubicada la segunda y última canaleta Parshall (Foto 13), que posee idéntica geometría en planta que la primera pero diferente perfil longitudinal. La sección rectangular termina en la Prog. 2768,70 con igual ancho que en su origen (5 m) pero con una altura de 2,70 m. En el último tramo de aproximadamente 750 m, la sección rectangular posee en la parte superior vigas transversales (Foto 14) que permiten la estabilidad contra el empuje lateral, ya que este último tramo fue excavado en un material menos resistente que la roca del primer trecho. Este cambio de sección a tolva se realiza mediante una transición de 20 m de desarrollo longitudinal que permite minimizar las pérdidas de energía proporcionando cambios de curvatura suaves en las líneas de corriente (Foto 14).
Foto 13
Foto 14
A partir de esta transición el canal cambia a la sección tolva mostrada en la Figura 4 y a una pendiente aproximadamente de 0,15 m/Km (0,00015 m/m) que se mantiene en el recorrido restante.
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0,40
8,30
0,40
R = 3 , 5 0 0 7, 2
4,95
SECCION TRAMO A - Caudal de Diseño 12 m3/s
Figura 53. Sección tolva Tramo A.
En la Prog. 3819,73 comienza el primero de los catorce sifones que posee el canal que posibilitan el cruce de caminos, rutas, vías de ferrocarril y cauces fluviales. Este sifón, al igual que los restantes, posee transiciones en la entrada y salida de 14 m de largo y un diámetro de 3,60 m, como todos los pertenecientes al Tramo A (exceptuando el correspondiente al cruce del río Anizacate). Este primer sifón, ubicado en el límite de la Zona Militar, el tercero más largo del canal ya que posee una longitud aproximada de 550 m, y permite atravesar la ruta que une las localidades de Despeñaderos y José De La Quintana (Foto 15).
Foto 15
Foto 16
En la Prog. 5270,33 inicia el sifón que cruza el Arroyo San José, cuya sección entubada posee 1936 m de longitud y es el más largo de todos los pertenecientes al canal. Su inicio (incluyendo la transición de entrada) posee una pendiente abrupta determinando una zona de peligro la cual se encuentra protegida por tejido metálico (Foto 16). La salida de este sifón, en la Prog. 7219,92, tiene un cabezal ejecutado en gaviones (Foto 17). A unos 500 m aguas abajo se observó el primero de los conjuntos de algas de gran tamaño aferradas al fondo del canal (Foto 18).
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Foto 17
Foto 18
En la Prog. 11350 sobre la margen izquierda se encuentra la obra de vinculación a este canal de los caudales que llegarían desde la presa Anizacate (Foto 19), mediante la cual se incrementarían en 6 m 3 /s el caudal en el canal Los Molinos si se hubiera construido el embalse sobre el río Anizacate. Los excesos de caudal provenientes desde este canal serían derivados al río Anizacate por el desagüe en tolva de la Foto 20.
Foto 19
Foto 20
A unos 200 m aguas abajo se encuentra un vertedero lateral que permite derivar los excedentes de caudal al río Anizacate (Foto 21), inmediatamente antes de la entrada al sifón que cruza este río. El vertedero, ubicado sobre la margen derecha del canal, posee un ancho de 30 m y como estructura terminal, una obra de disipación de energía (Foto 22).
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Foto 21
Foto 22
El flujo en la entrada del sifón está controlado por dos compuertas independientes de accionamiento manual posteriores a un partidor que divide el flujo (Foto 23). Este sifón de aproximadamente 1450 m de longitud fue proyectado con dos conductos circulares de hormigón armado de 2,85 m de diámetro cada uno, para conducir un caudal de diseño de 12 m3 /s (Foto 24).
Foto 23
Foto 24
De acuerdo a la información recopilada, el conducto izquierdo nunca entró en funcionamiento por problemas constructivos. En noviembre de 1992, una crecida de este río provocó una importante erosión en el espacio existente entre ambos conductos, desplazando un tramo de unos 50 m del tubo derecho, el cual aparentemente se encontraba vacío (Foto 25). El tubo derecho fue reforzado con un conducto camisa de hormigón armado de 20 cm de espesor, reduciendo el diámetro a 2,45 m. A pesar de esta reparación, las presiones existentes debido a la carga hidráulica generan importantes pérdidas de agua que pueden observarse en la Foto 26 de Julio de 1999, sobre la margen derecha del río Anizacate.
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Foto 25
Foto 26
Según datos suministrados por personal de DiPAS, se estima que la capacidad actual de este conducto es de 4,40 m 3 /s. En el proyecto, todos los sifones tendrían rejas aguas arriba y abajo para evitar el ingreso de desechos a los conductos. A la fecha, solo unos pocos sifones cuentan con rejas debido a la débil capacidad de las mismas de soportar la presión del agua cuando se acumulan algas, desperdicios, etc. Por este motivo, las rejas que aun funcionan requieren de una limpieza periódica (Foto 27).
Foto 27
Foto 28
En la Prog. 13078, correspondiente a la salida del sifón, puede observarse en la Foto 28 el conducto izquierdo completamente deteriorado. La geometría de la transición de salida presenta iguales características que la entrada. Cuenta también con dos compuertas y una reducción del partidor central que restituye la uniformidad al f lujo (Foto 29). La tolva continúa sin ninguna alteración hasta la Prog. 20097,86 en donde el canal atraviesa la Ruta Nacional Nº 36, que une las localidades de Córdoba y Río Cuarto, mediante la única alcantarilla en el canal, recordando que el resto de los cruces de este tipo se realizan por medio de sifones. La misma cuenta con una compuerta en la entrada mostrada en la Foto 30.
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Foto 29
Foto 30
Figura 54: Ubicación y características del Tramo A - segunda parte Prog 20000 a 41000.
A unos 800 m aproximadamente de la salida de la alcantarilla se observa el primer mallín debido al tipo de suelo loéssico, que existe desde este punto en adelante. En este mismo lugar fue detectada una zona de crecimiento de algas (Foto 32) provocado por un asentamiento del fondo del canal que incrementa el tirante, disminuye la velocidad y permite la acumulación de sedimentos en donde se fijan estas plantas acuáticas. Otro indicio de este asentamiento puede observarse en los recrecimientos de hormigón realizados sobre el coronamiento del canal (Foto 31).
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Foto 31
Foto 32
En la Prog. 26102,38 se encuentra un pasa aguas cuya capacidad de conducción es sobrepasada provocando el ingreso lateral de escorrentías, erosión de la margen superada del canal (Foto 33) y el depósito de suelos en su cercanía, determinando el establecimiento de algas (Foto 34).
Foto 33
Foto 34
El cuarto sifón tiene inicio en en la Prog. 26582,1 26582,1 y cruzando en forma oblicua oblicua la traza del FF.CC. Su longitud es de aproximadamente 48 m y cuenta con una compuerta en su entrada (Foto 35 y Foto 36).
Foto 35
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Foto 36
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En la Prog. 29477 se observó sobre la margen izquierda roturas importantes en un grupo de tres losas consecutivas (Foto 37) provocadas posiblemente por un mallín. Cada losa posee una longitud en el sentido del flujo de 6 m. Existen también huecos en los laterales de las losas que favorecen al ingreso de agua, lo cual permite inferir que las escorrentías generadas por las aguas de lluvia continuarán descalzando a las mismas. En la Prog. 30979 se observa una depresión en la rasante de los caminos laterales ubicados en ambas márgenes del canal producto de un hundimiento (posiblemente se abra un nuevo mallín en este sector). Su desarrollo por ahora es puntual abarcando no más de dos losas. (Foto 38).
Foto 37
Foto 38
La solución desarrollada ante la rotura de las losas del canal es realizada mediante la colocación de membranas plásticas. Este revestimiento, en la mayoría de los casos fue colocado sobre las losas fracturadas observándose grandes alteraciones en la sección del canal. El primer sector, en el recorrido hacia aguas abajo, donde fue empleado este tipo de solución se inicia en la Prog. 32172 y termina en la Prog. 32195 (Foto 39). Se puede observar el cambio en la uniformidad del flujo producto de la variación de la sección en tolva al no ser reparadas las losas (Foto 40).
Foto 39
Foto 40
En la Prog. 32854 fue colocado un revestimiento de esta membrana para salvar los problemas originados en la losa producto de un hundimiento local. El problema es puntual sobre una única losa y puede ser observado en la Foto 41.
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Foto 41
Foto 42
En las Prog. 33012 y 33260 se inician dos protecciones con membrana, mostrados en la Foto 42 y en la Foto 43, teniendo un desarrollo aproximado de 28 m y 18 m, respectivamente.
Foto 43
Foto 44
En la Prog. 33790 se localiza un sector próximo a su colapso ya que un grupo de cinco losas se encuentran fracturadas sobre la margen izquierda del canal. La margen derecha, aunque menos deteriorado que la primera, también presenta deformaciones producto del hundimiento (Foto 44). Otro de estos parches es presentado en la Foto 45, el cual inicia en la Prog. 33833 y posee una longitud de 32 m aproximadamente.
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Foto 45
Foto 46
En la Prog. 34188, a la salida de una extensa curva a la derecha en traza del canal, se encuentra la única compuerta parcializadora con forma de tolva montada sobre la estructura de un pasa aguas de importantes dimensiones (Foto 46). A unos 200 m aproximadamente aguas abajo del pasa aguas mencionado se puede observar un hundimiento en ambas márgenes del canal, el cual también se encuentra cubierto de la membrana plástica (Foto 47).
Foto 47
Foto 48
Desde la Prog. 34636,7 hasta la Prog. 34683,1 se desarrolla otro de estos remiendos y es mostrado en la Foto 48. En la Prog. 34723,1 se localizada una importante rotura de losas por empuje lateral, siendo aproximadamente cinco los paños afectados (Foto 49). También puede apreciarse en este sector recrecimientos en el coronamiento del canal. En la Prog. 35376 inicia un nuevo revestimiento, el cual posee 150 m de longitud. Las losas fracturadas fueron extraídas pero la superficie sobre la que fue colocada la membrana no fue lo correctamente preparada, determinando importantes arrugas en el plástico incrementando la rugosidad del canal en este sector (Foto 50).
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Foto 49
Foto 50
Un parche de membrana de iguales características que los anteriores con una longitud de 193,5 m comienza en la Prog. 36518,78 (Foto 51). En la Foto 52 se observa el desarrollo de un importante mallín en la zona cercana al canal indicada por porciones de suelo no cultivado.
Foto 51
Foto 52
En las Prog. 37204,5 y 37511,92 se inician zonas con problemas de las mismas características que las descriptas. Las roturas de las losas fueron cubiertas con membranas y sobre las mismas se realizó un recrecimiento del coronamiento del canal con hormigón para evitar los desbordes (Foto 53).
Foto 53
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Foto 54
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En la Foto 54 pueden apreciarse hundimientos localizados en pasa aguas producto de un posible sobrepaso en su capacidad de conducción y posterior formación de mallín. Desde la Prog. 37710,04 a la 37793,14 se encuentra una membrana recientemente colocada. En la Foto 55 todavía se observan los elementos con los que realizaron dicha tarea: pantallas, caños y bolsas de arena.
Foto 55
Foto 56
La tarea consiste en aislar el tramo dañado mediante de la colocación aguas arriba y abajo de pantallas metálicas (ver Foto 55 y Foto 57) con la forma de la sección, las cuales poseen juntas de goma en las zonas de contacto con el hormigón. La estanqueidad y estabilidad de las pantallas son aseguradas por medio de bolsas de arena. Previo a esta actividad es necesario realizar un manejo de compuertas para reducir el caudal del canal a 1 m 3 /s, este valor es la máxima capacidad que posee la bomba utilizada. Los caños empleados para dar continuidad al caudal de 1 m 3 /s son de PVC y poseen un diámetro de 300 mm o 500 mm (Foto 56).
Foto 57
Foto 58
En la Foto 58 puede apreciarse, en el mismo tramo recientemente reparado, que la membrana fue situada sobre las losas destruidas o encima del terreno natural, sin restituirse la forma original que tenía el canal. Es destacable que las últimas reparaciones se encuentran con una terminación de menor calidad que las más antiguas. Este problema es atribuible a la velocidad de reparación que requieren las roturas actuales, debido a los incrementos de las demandas de la planta de Bower.
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Unos 1000 m antes de la finalización del Tramo A, desde la Prog. 39079,8 hasta la Prog. 39177,8 se halla el último de los sifones que posee diámetro 3,60 m. En la Prog. 39971,7 se encuentra ubicado otro punto con losas rotas y hundimientos. El Tramo A del canal termina en una obra derivación hacia la localidad de Pilar para la refrigeración de la central térmica homónima. En la Prog. 41058,1 finaliza la sección en tolva y por medio de una transición adopta una sección rectangular en la Prog. 41072,1. En esta sección es en donde se realiza la bifurcación diseñada para derivar un caudal de 4 m3 /s. La derivación con destino a Pilar permanece cerrada ya que el canal de vinculación posee largos tramos sin construir. En la actualidad, la central térmica de Pilar toma el agua para su refrigeración del río Xanaes en las proximidades de la planta. En la misma bifurcación el canal presenta un escalón de fondo en la Prog. 41086,8 que provoca la formación del tirante crítico sobre el mismo (Foto 59). La partición se realiza mediante una placa metálica de aproximadamente 1 pulgada de espesor y luego continua con una tabique de hormigón armado en curva hacia el canal de derivación.
Foto 59
Foto 60
Durante las visitas al canal, en varias oportunidades fue posible apreciar grandes acumulaciones de algas arrastradas por el flujo (Foto 60), que ante la presencia de las rejas se atascan obstruyendo el paso del agua, luego por aumento del tirante aguas arriba destruyen las rejas.
7.2 TRAMO B La sección rectangular de la derivación a Pilar termina en la Prog. 41108,11 al igual que el Tramo A del canal, continuando con una transición de 12 m a partir de la cual nace una nueva sección en tolva, de menores dimensiones que la primera debido a que su caudal de diseño fue de 8 m 3 /s. Las dimensiones de esta nueva tolva pueden observarse en la Figura 55 y su ubicación en la Figura 56.
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0,40
7,06
0,40
R = 3 , 3 3 5 1, 2
4,71
SECCION TRAMO B - Caudal de Diseño 8 m3/s
Figura 55. Sección tolva Tramo B.
Figura 56: Ubicación y características del Tramo B.
En la última transición mencionada existe un pasa aguas que se puede apreciar en la Foto 61. Debajo del mismo se encuentran acumulados importantes fragmentos de losa que alteran el régimen del flujo. La Ruta Provincial C45 cruza el canal mediante el puente mostrado en la Foto 62.
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Foto 61
Foto 62
El primer sifón del Tramo B, de 2,60 m de diámetro, atraviesa el camino de acceso a la localidad de Rafael García, iniciándose en la Prog. 41373,6 con una transición de igual longitud que el resto de los sifones para terminar en la Prog. 41484,0 (Foto 63). A pocos metros aguas abajo del sifón se encuentra la toma para la planta potabilizadora de Rafael García (Foto 64).
Foto 63
Foto 64
El siguiente sifón es para cruzar bajo el FF.CC. y comienza en la Prog. 42718,3 terminando en la Prog. 42923,1 (Foto 65). Inmediatamente aguas abajo de la transición de salida de este sifón se inicia una zona de losas fracturadas que fueron cubiertas de membrana plástica (Foto 66).
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Foto 65
Foto 66
Se pudo observar en esta zona de 105 m de longitud aproximada, la existencia de recrecimientos del coronamiento del canal previos a la colocación de la membrana (Foto 67). En la Foto 68, también de este mismo sector, se aprecia el precario modo de sujeción utilizado para la parte superior de la membrana.
Foto 67
Foto 68
Un importante hundimiento se presenta desde la Prog. 44416 hasta la Prog. 44594. En algunos sectores estos hundimientos provocaron la rotura de losas que debieron ser cubiertas de membrana (Foto 69 y Foto 70).
Foto 69
EDGAR M. CASTELLÓ
Foto 70
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Previo al inicio de la conducción entubada del próximo sifón, dentro de la transición de entrada, se encuentra la compuerta parcializadora mostrada en la Foto 71. Este sifón, denominado como Bajo Grande, se inicia en la Prog. 49374,4 y termina en la Prog. 49459,6 (Foto 72).
Foto 71
Foto 72
En la Prog. 51100,0 se inicia un nuevo sifón (llamado de Pugliese) y termina en la Prog. 51247,6 (Foto 73). A la salida del sifón comienza un tramo de aproximadamente 3 Km en desmonte, con profundidades de excavación del orden de los 10 m, desde el terreno natural hasta la fundación del canal. Se puede observar el perfecto estado de este tramo ya que no hubo asentamientos que fracturaran las losas. Entre otros fenómenos, esto es atribuible a la mayor capacidad soporte del terreno de fundación, ya que el suelo se encontraba preconsolidado (Foto 74).
Foto 73
Foto 74
En la Prog. 52903,73 se inicia una zona muy deteriorada donde el canal se encuentra apoyado sobre un terraplén. Los asentamientos diferenciales del terraplén han motivado la falla de todo este tramo de 680 m de longitud aproximada y se destaca como uno de los sectores en peor estado debido a la magnitud de los daños (Foto 75 y Foto 76).
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Foto 75
Foto 76
Foto 77
Foto 78
En general, el canal sufre un asentamiento debido a la mala fundación, esto le quita capacidad de conducción por lo que se le realizan recrecimientos de hormigón en el coronamiento. Si las losas se fracturan es necesario la colocación de membranas para retornarle la estanqueidad, por este motivo pueden verse en este tramo los remiendos sobre los recrecimientos (Foto 77 y Foto 78).
Foto 79
Foto 80
Existen sectores con losas rotas que a la fecha no han sido reparadas y que permanentemente permiten las filtraciones, éstas modifican la estructura del suelo loéssico de base reduciendo su capacidad portante, y continua el descalce de las losas (Foto 79 y Foto 80).
EDGAR M. CASTELLÓ
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Debido a que este tramo se encuentra en terraplén, los pasa aguas han sido ejecutados como sifones invertidos. El sifón mostrado en la Foto 81, además de estar parcialmente embancado, cuando no está trabajando acumula agua en su interior que actúa también como sobrecarga. Puede verse en la Foto 82 que las obras construidas sobre el coronamiento de este tramo de canal provocaron hundimientos locales en la estructura del canal.
Foto 81
Foto 82
El sifón que comienza en la Prog. 53840,8 posee una longitud de 60 m aproximadamente no tiene ninguna función. Probablemente contemplaba un futuro camino que nunca fue ejecutado. En la Foto 83 y Foto 84 se puede apreciar la entrada y salida del sifón respectivamente, en donde se observa una particularidad que presentan todos los sifones respecto de la ubicación de las rejas en la salida. Debido al mal diseño, las rejas a la entrada no soportan el empuje del agua cuando son obturadas. Personal encargado del mantenimiento del canal informaron que se realizaron inspecciones de los sifones mediante buzos, determinando que la velocidad del agua no permite la acumulación de sedimentos en el interior de los mismos. Cuando las rejas de salida se encuentran tapadas la fuerza del agua simplemente las levanta facilitando la tarea de limpieza que se realiza dos veces por día. Las rejas de entrada solo permanecen en el sifón del Río Anizacate debido a la magnitud del mismo.
Foto 83
EDGAR M. CASTELLÓ
Foto 84
117
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
En la Prog. 53955 se inicia una importante zona en la cual el canal ha sufrido hundimientos (Foto 85). Se puede apreciar una secuencia de recrecimientos en la Foto 86 sobre las losas que previamente habían sido cubiertas con membranas plásticas.
Foto 85
Foto 86
Foto 87
Foto 88
En la Prog. 54409,4 se encuentra la entrada de un nuevo sifón (denominado como sifón de Ferrero) desde la cual se puede apreciar la zona descrita (Foto 87). Este sifón que posee una longitud de 90,4 m y atraviesa un camino rural (Foto 88). Desde la salida del sifón en la Prog. 54499,8 continúa el sector en mal estado hacia aguas abajo (Foto 89) finalizando en la Prog. 54694, es decir, que este tramo afectado posee unos 750 m de desarrollo longitudinal. La urgencia que presenta la colocación de las membranas hace que algunos factores no se tengan en cuenta y determine fallas en la realización de esta tarea. Una de estas fallas es mostradas en la Foto 90 donde parte del revestimiento de membrana aguas arriba fue arrastrada por la corriente.
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118
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Foto 89
Foto 90
En la Foto 91 se observa el sifón designado como de Delgado que se desarrolla desde la Prog. 55844,8 hasta la Prog. 55924,8.
Foto 91
Foto 92
Desde la Prog. 56050 hasta la Prog. 56073 se localiza otro sector en mal estado con la misma patología que los anteriores, el cual ha sido reparado con idéntica solución (Foto 92). En la Foto 93 se observa que las membranas son sujetas con bolsas de arena en el interior del canal. Estas bolsas están fijadas a estacas mediante alambre. En esta reparación, las mismas membranas poseen parche por roturas. En la Foto 94 comienzan los recrecimientos de las losas previos al sifón del camino a San Carlos I que sufrió un importante asentamiento.
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119
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Foto 93
Foto 94
En la Foto 95 se muestra la compuerta ubicada en la transición de entrada del sifón que cruce el camino a San Carlos I. Esta compuerta se encuentra inoperable debido a la torsión manifestada en sus guías verticales a causa del asentamiento sufrido por este sifón que se estima en 1,50 m.
Foto 95
Foto 96
La salida de este sifón es la zona más crítica del canal. La Foto 96 muestra el estado que presenta el canal con un caudal de 2,65 m 3 /s. Los tirantes en este tramo del canal también dependen del manejo de compuertas en la derivación a la planta potabilizadora Los Molinos ubicada a unos 3800 m aguas abajo.
Foto 97
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Foto 98
120
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
En las Foto 97 y Foto 98 se muestra la secuencia de los recrecimientos reiterados en el cabezal y transición de salida del sifón y en el canal, respectivamente. Se dificulta el reconocimiento de la sección en tolva original. El sifón se desarrolla entre las Prog. 56647,6 y 56743,2, y la zona afectada por hundimientos comprende una longitud de 192 m que se inicia en la Prog. 56393.
Foto 99
Foto 100
El último sector en mal estado comienza en la Prog. 56806,5 y posee una longitud aproximada de 350 m. En esta zona se pueden observar hundimientos, recrecimientos y reparaciones de membrana plástica (Foto 99). En la Foto 100 se observa un hundimiento acentuado que provoca valores elevados en los tirantes.
Foto 101
Foto 102
En la Prog. 60577,9 se inicia la obra de toma para la planta potabilizadora Los Molinos ubicada en la localidad de Bower. La sección en tolva sufre una transición de 10,8 m de largo para terminar en una sección rectangular de su misma altura pero de 10 m de ancho (Foto 102). La sección rectangular se mantiene por una longitud de 7 m para luego cambiar su forma retomando la tolva tras un salto de 25 cm luego de un vertedero pico de pato (Foto 5). El conducto de toma de la planta está protegido por rejas que poseen un mecanismo de limpieza automático cuando la pérdida de carga entre ambos lados de las rejas toma un determinado valor. Según información proporcionada por el personal de mantenimiento,
EDGAR M. CASTELLÓ
121
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
las algas que quedan atrapadas en las rejas sirven de filtro primario disminuyendo los costos de la potabilización.
Foto 103
Foto 104
Luego de la derivación a planta, el canal atraviesa por segunda vez el camino a San Carlos mediante un sifón comprendido entre las Prog. 60627,7 y 60806,5; y es mostrado en la Foto 104. Este sifón es denominado como San Carlos II.
Foto 105
Foto 106
El último sifón posee las mismas características que los restantes del Tramo B y se desarrolla entre las Prog 61061,22 y 61130,82 (Foto 105). En la Prog. 61381,97 el canal cambia el valor de la pendiente de fondo de 0,15 m/Km a un valor de 0,7 m/Km (0,0007). La sección en tolva llega a su fin en la Prog. 61466,67 en donde mediante una transición de 25 m de longitud longitud cambia de geometría para comenzar el último tramo tramo del canal con una sección rectangular de 2 m de alto y 2,5 m de ancho (Foto 106). El canal termina su recorrido vertiendo sus aguas al Canal Maestro Sur en la Prog. 61885,33.
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122
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
8 ANEXO B: PLANILLAS DE AFOROS En el presente anexo se muestran las planillas empleadas en campaña con los datos relevados para cada sección de aforo. El desarrollo de los cálculos y la aplicación de las ecuaciones planteadas en el apartado 4.3 pueden observarse en estas planillas. La estimación de las velocidades superficiales fue realizada entre dos estaciones de aforo consecutivas pertenecientes a la misma zona de medición (topografía). Por este motivo existe un único valor estimado de la velocidad superficial para cada zona de medición. El origen desde el cual se miden las distancias se encuentra en todos los casos sobre la margen izquierda.
8.1 ZONA 1. ENTRE PROG. 2123,9 Y PROG. 2284,9. 8.1.1 Estación de aforo Nº 1. Progresiva 2159. Sección rectangular. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Intervalo de medición: Dist. Nº origen (m) 0 0,00 1 0,50 2 1,00 3 1,50 4 2,00 5 2,50 6 3,00 7 3,50 8 4,00 9 4,50 10 4,89
Prof. (m) h 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08
0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
Castelló - Jaureguialzo. Jaureguialzo. Minimolinete OTT. Nº 6. V = 0,1030.n + 0,023. 30 segundos.
20% h Vuel. Vel. 122 122 142 161 173 158 156 138 131
h
0,442 0,442 0,511 0,576 0,617 0,565 0,559 0,497 0,473
0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
Cantidad de Vueltas 40% h 60% h Vuel. Vel. h Vuel. Vel. 1 42 1 52 1 73 1 81 1 82 1 83 1 74 1 48 1 44
0,511 0,545 0,617 0,644 0,648 0,651 0,620 0,531 0,517
0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
149 159 172 189 195 185 176 157 143
0,535 0,569 0,614 0,672 0,693 0,658 0,627 0,562 0,514
h 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
80% h Vuel. Vel. 126 143 161 180 186 178 164 143 124
0,456 0,514 0,576 0,641 0,662 0,634 0,586 0,514 0,449
VM
Área
Q
m/s
m2
m3/s
0,438 0,463 0,515 0,560 0,578 0,555 0,532 0,471 0,441
0,810 0,540 0,540 0,540 0,540 0,540 0,540 0,540 0,687
0,355 0,250 0,278 0,302 0,312 0,300 0,287 0,254 0,303
Total 5,277 2,642
8.1.2 Estación de aforo Nº 2. Progresiva 2210. Sección rectangular. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Intervalo de medición:
EDGAR M. CASTELLÓ
Castelló - Jaureguialzo. Jaureguialzo. Minimolinete OTT. Nº 6. V = 0,1030.n + 0,023. 30 segundos.
123
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Dist. Nº origen (m) 0 0,00 1 0,50 2 1,00 3 1,50 4 2,00 5 2,50 6 3,00 7 3,50 8 4,00 9 4,50 10 4,90
Prof. (m) h 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10
0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22
20% h Vuel. Vel. 123 113 135 144 149 145 137 119 114
h
0,445 0,411 0,487 0,517 0,535 0,521 0,493 0,432 0,414
0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44
Cantidad de Vueltas 40% h 60% h Vuel. Vel. h Vuel. Vel. 146 131 171 170 167 163 156 140 130
0,524 0,473 0,610 0,607 0,596 0,583 0,559 0,504 0,469
0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66
149 153 169 176 183 174 165 157 137
0,535 0,548 0,603 0,627 0,651 0,620 0,590 0,562 0,493
h 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88
80% h Vuel. Vel. 144 155 168 177 182 172 160 147 131
0,517 0,555 0,600 0,631 0,648 0,614 0,572 0,528 0,473
VM
Área
Q
m/s
m2
m3/s
0,470 0,463 0,525 0,542 0,551 0,533 0,508 0,470 0,435
0,825 0,550 0,550 0,550 0,550 0,550 0,550 0,550 0,715
0,387 0,254 0,289 0,298 0,303 0,293 0,279 0,259 0,311
Total 5,390 2,674
Estimación de la velocidad superficial correspondiente a la zona de medición Nº 1: Longitud Recorrida= 161 m Tiempo Transcurrido = 246,8 seg Velocidad Superficial = 0,652
m seg
8.2 ZONA 2. ENTRE PROG. 10514 Y PROG. 10767. 8.2.1 Estación de aforo Nº 3. Progresiva 10514. Sección tolva. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Intervalo de medición: Dist. Nº origen (m) 0 0,00 1 0,50 2 1,00 3 1,50 4 2,00 5 2,50 6 3,00 7 3,50 8 4,00 9 4,50 10 5,00
Prof. (m) h 0,00 0,45 0,86 1,11 1,26 1,35 1,35 1,29 1,15 0,90 0,59
0,16 0,20 0,23 0,27 0,27 0,24 0,22 0,18
Moya – Hillman. Minimolinete OTT. Nº 6. V = 0,1030.n + 0,023. 30 segundos.
20% h Vuel. Vel. 116 123 126 99 141 129 146 126
h
0,421 0,445 0,456 0,363 0,507 0,466 0,524 0,456
0,14 0,32 0,40 0,46 0,54 0,54 0,48 0,44 0,36 0,24
Cantidad de Vueltas 40% h 60% h Vuel. Vel. h Vuel. Vel. 100 130 145 148 115 159 162 165 134 117
0,366 0,469 0,521 0,531 0,418 0,569 0,579 0,590 0,483 0,425
0,48 0,60 0,69 0,81 0,81 0,72 0,66 0,54
140 162 163 165 164 172 167 146
0,504 0,579 0,583 0,590 0,586 0,614 0,596 0,524
h 0,64 0,80 0,92 1,08 1,08 0,96 0,88 0,72
80% h Vuel. Vel. 154 166 167 167 179 177 170 154
0,552 0,593 0,596 0,596 0,638 0,631 0,607 0,552
VM
Área
Q
m/s
m2
m3/s
0,366 0,460 0,501 0,506 0,455 0,522 0,527 0,529 0,466 0,425
0,273 0,425 0,551 0,630 0,671 0,673 0,646 0,573 0,459 0,358
0,100 0,196 0,276 0,319 0,305 0,352 0,341 0,303 0,214 0,152
Total 5,260 2,558
8.2.2 Estación de aforo Nº 4. Progresiva 10767. Sección tolva. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Cantidad de Vueltas :
EDGAR M. CASTELLÓ
Moya – Hillman. Molinete SIAP. Oscura. V = 0,2672.n – 0,0406. 60. 124
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Nº 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Dist.(m) origen 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50
Prof. (m) 0,00 0,49 0,84 1,08 1,24 1,32 1,32 1,25 1,10 0,87 0,53 0,00
h 0,16 0,22 0,25 0,27 0,27 0,25 0,22 0,16
20% h Tiem. Vel. 34,6 30 36 39,8 39 27 26,5 33,5
h
0,423 0,494 0,405 0,362 0,370 0,553 0,564 0,438
40% h Tiem. Vel.
h
60% h Tiem. Vel.
h
80% h Tiem. Vel.
VM
Área
Q
0,16 31,5 0,468 0,32 31,5 0,468 0,468 0,270 0,127 0,32 30 0,494 0,48 28,5 0,522 0,64 26 0,576 0,472 0,419 0,198 0,44 26 0,576 0,66 23,1 0,653 0,88 22,8 0,663 0,538 0,541 0,291 0,50 28 0,532 0,75 23,2 0,650 1,00 24,2 0,622 0,503 0,622 0,313 0,54 29,2 0,508 0,81 29,1 0,510 1,06 24,4 0,616 0,458 0,656 0,301 0,54 34 0,431 0,81 32 0,460 1,06 29 0,512 0,415 0,658 0,273 0,50 26,2 0,571 0,75 26 0,576 1,00 24 0,627 0,528 0,623 0,329 0,44 26,5 0,564 0,66 25 0,601 0,88 24 0,627 0,534 0,550 0,294 0,32 30 0,494 0,48 29,5 0,503 0,64 27 0,553 0,470 0,435 0,205 0,16 32 0,460 0,32 30 0,494 0,460 0,305 0,140 Total 5,079 2,469
Estimación de la velocidad superficial correspondiente a la zona de medición Nº 2: Longitud Recorrida= 253 m Tiempo Transcurrido = 406,8 seg Velocidad Superficial = 0,622
m seg
8.3 ZONA 3. ENTRE PROG. 17127,5 Y PROG. 17402,6. 8.3.1 Estación de aforo Nº 5. Progresiva 17127. Sección tolva. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Cantidad de Vueltas : Nº 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Dist.(m) origen 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00
Prof. (m) 0,00 0,46 0,90 1,23 1,40 1,50 1,55 1,55 1,48 1,22 0,92 0,48 0,00
h
Moya - Castelló. Molinete SIAP. Oscura. V = 0,2672.n – 0,0406. 60.
20% h Tiem. Vel.
h 0,18
0,18 0,25 0,28 0,30 0,32 0,32 0,28 0,25 0,18
58,5 44 40 39 40 38 35 37 47
40% h Tiem. Vel. 82
h
60% h Tiem. Vel.
h
0,155
0,233 0,324 0,360 0,370 0,360 0,381 0,417 0,393 0,301
0,72 1,00 1,12 1,20 1,23 1,23 1,14 0,97 0,74 0,20
42
80% h Tiem. Vel.
0,341
50 39 34 32 30 32 29 30 33
0,280 0,370 0,431 0,460 0,494 0,460 0,512 0,494 0,445
VM
Área
Q
0,155 0,257 0,347 0,396 0,415 0,427 0,421 0,465 0,443 0,373 0,341
0,279 0,453 0,600 0,697 0,755 0,771 0,752 0,697 0,600 0,453 0,279
0,043 0,116 0,208 0,276 0,314 0,329 0,317 0,324 0,266 0,169 0,095
Total 6,336 2,457
EDGAR M. CASTELLÓ
125
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
8.3.2 Estación de aforo Nº 6. Progresiva 17402. Sección tolva. Operadores : Velocímetro : Hélice : Ec. Molinete : Cantidad de Vueltas : Dist.(m) Nº origen 0 0,00 1 1,00 2 2,00 3 3,00 4 4,00 5 5,00 6 6,00
Prof. (m) 0,00 1,02 1,45 1,53 1,36 0,88 0,00
h
20% h Tiem. Vel.
Moya - Castelló. Molinete SIAP. Oscura. V = 0,2672.n – 0,0406. 60. h 0,40 0,54 0,61 0,54 0,35
40% h Tiem. Vel. 37 34 42 27 39
0,393 0,431 0,341 0,553 0,370
h
60% h Tiem. Vel.
h
80% h Tiem. Vel.
VM
Área
Q
0,393 0,431 0,341 0,553 0,370
1,021 1,370 1,514 1,359 0,958
0,401 0,590 0,517 0,752 0,355
Total 6,221 2,614
Estimación de la velocidad superficial correspondiente a la zona de medición Nº 3: Longitud Recorrida= 278 m Tiempo Transcurrido = 503 seg Velocidad Superficial = 0,553
EDGAR M. CASTELLÓ
m seg
126
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
9 ANEXO C: PLANILLAS DEL RELEVAMIENTO TOPOGRÁFICO A continuación se muestran las planillas con los datos de campaña correspondientes al levantamiento topográfico de cada zona de medición de caudales con minimolinetes. En estas planillas se observan algunos de los cálculos de gabinete utilizando las fórmulas presentadas en el apartado 4.4.
9.1 ZONA 1. ENTRE PROG. 2123,9 Y PROG. 2284,9. Lecturas BI PI Fondo 1 2123,9 1,363 2,864 3,899 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 2 2159,1 1,448 2,865 3,942 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 3 1,487 2,87 3,997 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 4 2284,9 1,489 2,875 4,039 Sección Prog. Nº
PD 2,864
BD 1,398
2,864
1,455
2,871
1,473
2,875
1,497
Observaciones Viga doble 35,2 Pasagua 89,2 Viga doble 36,6 Viga doble
S 0 = 0,000068 S f = 0,000995
Pendiente promedio de fondo Pendiente promedio de fricción
9.2 ZONA 2. ENTRE PROG. 10514 Y PROG. 10767. Lecturas BI PI Fondo 1 10514 2,236 3,594 4,949 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 2 2,256 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 3 2,267 3,627 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 4 2,285 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 5 10767 2,297 3,646 4,974 Sección Prog. Nº
Pendiente promedio de fondo Pendiente promedio de fricción
EDGAR M. CASTELLÓ
PD 3,592
BD 2,269
Observaciones Pasaguas 75
2,272 2,271
43,3 Escalera 61,7
2,304 3,65
2,313
73 Pasaguas
S 0 = 0,000099 S f = 0,000319
127
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
9.3 ZONA 3. ENTRE PROG. 17127,5 Y PROG. 17402,6. Lecturas BI PI Fondo 1 17127,5 1,914 3,028 4,541 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 2 1,958 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 3 1,945 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 4 1,955 Distancia a próxima sección medida con cinta (m): 5 17402,6 1,962 3,053 4,58 Sección Prog. Nº
Pendiente promedio de fondo Pendiente promedio de fricción
EDGAR M. CASTELLÓ
PD 3,025
BD 1,950
Observaciones Pasaguas 53
1,970 3,038
1,948
37 Escalera 113
1,969 3,053
1,963
75 Pasaguas
S 0 = 0,000140 S f = 0,000148
128
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
10 ANEXO D: SENSIBILIDAD GEOMÉTRICA MODELO HEC-RAS. Gráficos de la variación porcentual del error en la profundidad máxima.
10.1 PENDIENTE DE FONDO S1 = 0.0001 Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.015
9.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
% Error
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00 1
10
Nº de Puntos
100
Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.018
8.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
% Error
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
1
10
100
Nº de Puntos
Sensibilidad de HEC-RAS para n=0.018 / 0.025
8.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
% Error
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
1
EDGAR M. CASTELLÓ
10
Nº de Puntos
100
129
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Sensibilidad de HEC-RAS para Q=1.0m 3/s
8.00
% Error
7.00
n=0.015
6.00
n=0.018
5.00
n=0.025
4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
1
10
Nº de Puntos
100
Sensibilidad de HEC-RAS para Q=6.0m 3/s
2.50
% Error
n=0.015
2.00
n=0.018 1.50
n=0.025
1.00 0.50 0.00
1
10
Nº de Puntos
100
-0.50
Sensibilida d de HEC-RAS para Q=12.0m 3/s
1.50
% Error
n=0.015
1.25
n=0.018 1.00 n=0.025 0.75 0.50 0.25 0.00
1
10
Nº de Puntos
100
-0.25
EDGAR M. CASTELLÓ
130
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
10.2 PENDIENTE DE FONDO S1 = 0.0002 Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.015
10.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
% Error
9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00 1
10
Nº de Puntos
100
Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.018
9.00 % Error
8.00
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00 1
10
Nº de Puntos
100
Sensibilida d de HEC-RAS para n=0.018 / 0.025
8.00
% Error
Q=0.5 Q=1.0 Q=2.0 Q=3.0 Q=4.0 Q=5.0 Q=6.0 Q=7.0 Q=8.0 Q=9.0 Q=10.0 Q=11.0 Q=12.0 Q=13.0 Q=14.0 Q=15.0
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
1
EDGAR M. CASTELLÓ
10
Nº de Puntos
100
131
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
Sensibilidad de HEC-RAS para Q=1.0m 3/s
8.00
% Error 7.00
n=0.015
6.00
n=0.018
5.00
n=0.025
4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
1
10
Nº de Puntos
100
Sensibilidad de HEC-RAS para Q=6.0m 3/s
3.00
% Error
n=0.015
2.50
n=0.018 2.00
n=0.025
1.50 1.00 0.50 0.00
1
10
-0.50
Nº de Puntos
100
Sensibilida d de HEC-RAS para Q=12.0m 3/s 1.75
n=0.015
% Error 1.50
n=0.018
1.25
n=0.025
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 -0.25
1
EDGAR M. CASTELLÓ
10
Nº de Puntos
100
132
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
11 ANEXO E: CALIBRACIÓN DEL COEFICIENTE DE MANNING Gráficos auxiliares
11.1 RELACIONES
ENTRE TIRANTES, RUGOSIDADES Y CAUDALES A LA ENTRADA Y SALIDA DE CADA SIFÓN DEL TRAMO DE CALIBRACIÓN
Entrada sifón zona Militar Q = 1,95 m3/s
Salida sifón zona Militar
Q = 2,65 m3/s
Q = 1,95 m3/s
459.5
Q = 2,65 m3/s
459.5 459.0
459.0 ] m458.5 [ a t o C458.0
] m [ 458.5 a t o C458.0
457.5
457.5
457.0 0.0200
457.0 0.0200
0.0225
0.0250
0.0275
0.0300
0.0225
n
Entrada sifón arroyo San José Q = 1,95 m3/s
0.0250 n
0.0275
0.0300
Salida sifón arroyo San José Q = 1,95 m3/s
Q = 2,65 m3/s
459.0
Q = 2,65 m3/s
459.0 458.5
458.5 ] m458.0 [ a t o C457.5
] m458.0 [ a t o C457.5
457.0
457.0
456.5 0.0200
0.0225
0.0250 n
0.0275
0.0300
456.5 0.0200
0.0275
0.0300
Salida sifón río Anizacate
Q = 2,65 m3/s
Q = 1,95 m3/s
457.5
Q = 2,65 m3/s
457.5 457.0
457.0 ] m456.5 [ a t o C456.0
] m456.5 [ a t o C456.0
455.5
455.5
455.0 0.0200
0.0250 n
Entrada sifón río Anizacate Q = 1,95 m3/s
0.0225
0.0225
EDGAR M. CASTELLÓ
0.0250 n
0.0275
0.0300
455.0 0.0200
0.0225
0.0250
0.0275
0.0300
n
133
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
11.2 PERFIL
LONGITUDINAL SIMULADO PARA DIFERENTES COEFICIENTES DE MANNING. 3 CONTRASTE CON NIVELES OBSERVADOS PARA Q = 1,95 M /S.
n = 0.020 Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
457 56500
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.0225 Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
457 56500
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.025 Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
457 56500
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
EDGAR M. CASTELLÓ
134
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
n = 0.0275 Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
457 56500
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.030 Calibración
462
Legend WS Q = 1.95 m3/s Ground
461
ROB Obs WS Q = 1.95 m3/s
) m ( n ó i c a v e l E
460
PARSHALL 1
459 PARSHALL 2
458
457 56500
INICIO SIFÓN ZONA MILITAR
TRANSICIÓN
57000
57500
58000
58500
59000
59500
60000
60500
Distancia Canal Principal (m)
EDGAR M. CASTELLÓ
135
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
11.3 PERFIL
LONGITUDINAL SIMULADO PARA DIFERENTES COEFICIENTES DE MANNING. 3 CONTRASTE CON NIVELES OBSERVADOS PARA Q = 2,65 M /S.
n = 0.020 Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461
Ground
RUTA 36
ROB
460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 TRANSICIÓN
457 SIFÓN Aº SAN JOSE
456 SIFÓN ANIZACATE
455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.0225 Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461
Ground RUTA 36
ROB
460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 TRANSICIÓN
457 SIFÓN Aº SAN JOSE
456 SIFÓN ANIZACATE
455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.025 Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461 460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s Ground ROB
RUTA 36
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 TRANSICIÓN
457 SIFÓN Aº SAN JOSE
456 SIFÓN ANIZACATE
455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
EDGAR M. CASTELLÓ
136
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
n = 0.0275 Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461 460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s Ground ROB
RUTA 36
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 TRANSICIÓN
457 SIFÓN Aº SAN JOSE
456 455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
SIFÓN ANIZACATE
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
n = 0.030 Calibración
462
Legend PARSHALL 1
461 460
) m ( n ó i c a v e l E
WS Q = 2.65 m3/s Ground ROB
RUTA 36
Obs WS Q = 2.65 m3/s
459 PARSHALL 2
458 457
TRANSICIÓN SIFÓN Aº SAN JOSE
456 455 454 40000
SIFÓN ZONA MILITAR
SIFÓN ANIZACATE
42000
44000
46000
48000
50000
52000
54000
56000
58000
60000
Distancia Canal Principal (m)
EDGAR M. CASTELLÓ
137
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DEL CANAL LOS MOLINOS – CÓRDOBA
11.4 COMPARACIÓN
DEL NIVEL DE AGUA OBSERVADO CON LOS TIRANTES SIMULADOS 3 PARA CADA UNA DE LAS SECCIONES DE MEDICIÓN. Q = 1,95 M /S
0,620 0,600
0,620
Prog. 278.70
Tirante (m)
0,600
0,580
0,560 Calculado Observado
0,540
0,520
0,500
0,500
0,480
0,480
0,460 0,440 0,0180
n 0,0230
0,0280
0,460 0,440 0,0180 0,620
Prog. 907.50
Tirante (m)
0,600
0,580
0,580
0,560
0,560
0,540
0,540
0,520
Calculado Observado
0,500 0,480
0,440 0,0180
0,620
Tirante (m)
n 0,0230
0,0280
Prog. 1033.15
0,520 Calculado Observado
0,500 0,480
0,460
0,640
Calculado Observado
0,540
0,520
0,600
Prog. 542.40
0,580
0,560
0,620
Tirante (m)
n 0,0230
0,0280
0,460 0,440 0,0180
Prog. 1560.33
Tirante (m)
0,850
Tirante (m)
n 0,0230
0,0280
Prog. 2159.10
0,600 0,800
0,580 0,560
Calculado Observado
0,750
0,540 Calculado Observado
0,520 0,500
0,650
0,480 0,460 0,0180 1,100
0,700
n 0,0230
0,0280
1,380
Prog. 2440.87
Tirante (m)
0,600 0,0180
1,050
0,0230
0,0280
Prog. 2936.74
1,330
Calculado Observado
1,000
1,280 1,230
0,950 0,900
1,180
0,850
1,130
0,800 0,0180
Tirante (m)
n
n 0,0230
EDGAR M. CASTELLÓ
0,0280
1,080 0,0180
Calculado Observado
n 0,0230
0,0280
138