hidrolgía y geomorfología fluvial
TRANSCRIPT
PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE LA OCURRENCIA DEL FENOMENO “EL NIÑO”LA OCURRENCIA DEL FENOMENO “EL NIÑO”
PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CAÍDO A RAÍZ DEL FENÓMENO “ EL NIÑO” 1998
EFECTOS DEL FLUJO SOBRE UN PUENTE
MAPA DEL PERU
HIDROLOGIA• LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DE LA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION, SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE, INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERES VIVOS
• LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUE ATAÑEN AL DISEÑO Y OPERACIÓN DE PROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL CONTROL Y EL USO DEL AGUA
1 EL FENOMENO DE LA ESCORRENTIA
1.1 COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA
• El camino seguido por una gota de agua desde el momento en el cual alcanza la tierra hasta cuando llega al curso de una corriente es incierto
• El flujo de agua sobre la tierra o escorrentía superficial, corresponde al volumen de agua que avanza sobre la superficie de la tierra hasta alcanzar un canal
1.1 COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA (Continuación)
• El flujo superficial sobre un suelo permeable sólo puede tener lugar cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la capacidad de infiltración
• Una porción de agua que se infiltra a través de la superficie de la tierra puede moverse lateralmente en las capas superiores del suelo hasta llegar al cauce de la corriente. Esta agua, llamada escorrentía subsuperficial, se mueve más lentamente que la escorrentia superficial y alcanza las corrientes posteriormente
EL CICLO HIDROLOGICO
2 ESCORRENTIA SUPERFICIAL2.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESCORRENTIA
SUPERFICIAL• Factores Climáticos
- Intensidad de precipitación - Duración de la precipitación- Precipitación antecedente
• Factores Fisiográficos- Area - Permeabilidad
• Factores Humanos- Obras Hidráulicas construidas en la cuenca- Rectificación de ríos
2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL
• Caudal Q
• Coeficiente de Escorrentía Superficial C- Es la relación entre el volumen de agua
escorrentía superficial total y el volumen total deagua precipitada, en un intervalo de tiempodeterminado
2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL (Continuación)
• Tiempo de Concentración (Tc)- Es el tiempo que la lluvia que cae en el
punto más distante de la corriente (Punto A)de agua de una cuenca toma para llegar auna sección determinada de dicha corriente
Puente
Límite de Cuenca
A
2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL (Continuación)
• Periodo de Retorno ( Tr )- Es el periodo de tiempo promedio en años en que
un determinado evento (en este caso un caudal Q)es igualado o superado por lo menos una vez
P(Q≥Qo) es la probabilidad de ocurrencia, ola probabilidad que un caudal Q seamayor o igual a un valor dado Qo
Tr = 1 / P(Q≥Qo) = 1 / ( 1 – (1 – k)1/n
k = riesgo permisible, o probabilidad de ocurrenciadentro de n años de vida útil de la obra
Funciones de Probabilidad P de Eventos Extremos
- Distribución Log Normal- Distribución Los Pearson III- Distribución de Gumbel
Pruebas de Bondad de Ajuste:- Prueba Kolmogorov - Smirnov
2.3 ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS
HIDROGRAMA DE CRECIENTE
Q(m3/s)
t (horas o días)
Las características de un hidrograma de crecientes dependende las características de la cuenca
Rio Llalli - Puno Río Mayo – San Martín
2.3 ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS (Continuación)Una variable importante en hidrología es el caudal
pico, el cual corresponde a la ocurrencia del máximo nivel de agua durante una tormenta
a. CUENCAS PEQUEÑAS (A < 12 Km2)
0 40 mEscala
Carretera Tarapoto - RiojaBadén
Límite de la Cuenca
a. CUENCAS PEQUEÑAS (Continuación)• Las siguientes características describen una cuenca pequeña de áreas menores de aproximadamente 12 Km2:
- Se asume que la lluvia se distribuyeuniformente en el tiempo
- Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el espacio
- La duración de la tormenta generalmente excede el tiempo de concentración
METODO RACIONALEn el caso de no tener registros de caudales, el Método Racional es el método más comunmente usado para el análisis de flujos en pequeñas cuencas. El caudal se obtiene a partir de datos de precipitación:
Q = 0.278 C I AQ = es el caudal pico correspondiente a una
intensidad de lluvia, duración y fecuenciadados, en m3/s
C = coeficiente de escurrimiento (adimensional)I = intensidad de la lluvia , en mm/hA = Area de la cuenca , en Km2
b. CUENCAS INTERMEDIAS
• Se considera a cuencas intermedias a cuencas cuyas éreas se encuentran comprendidas, aproximadamente entre 100 a 1000 Km2. Las siguientes características describen una cuenca mediana:
- La intensidad de la lluvia varia dentro de la duración de la tormenta
- Se asume que la lluvia está uniformemente distribuida en el espacio
b. CUENCAS INTERMEDIAS (Continuación)En el caso de no tener registros de caudales, la Técnica más usada para el estudio de avenidas es la del hidrograma, donde los caudales se obtienen tomando en cuenta las precipitaciones máximas.
- Hidrograma unitario- Hidrograma unitario sintético
El hidrograma unitario es el hidrograma de escorrentía superficial total resultante de un volumen unitario de lluvia neta, uniformente distribuido en espacio y en tiempo. Linsley define al hidrograma unitario como el hidrograma de un centímetro de escorrentía directa de una tormenta de duración especificada
Desarrollo de un Hidrograma Unitario
HIDROGRAMA UNITARIO SINTETICO
• La deducción de los parámetros para definir los Hidrogramas Unitarios Sintéticos se basa en las características geométricas y morfológicas de la cuenca hidrográfica.
• Se han desarrollado varios hidrogramas unitarios, entre los que tenemos el Hidrograma de Snyder
Hidrograma Unitario Sintético de Snyder
-El tiempo de retardo tp = 0.7517 Ct(LxLc)0.3
L = Longitud del río Principal, KmLc = Longitud, a lo largo del río, desde el punto de
interés (puente), hasta el punto más próximo alcentro geométrico de la cuenca
Ct = Coeficiente adimensional, variable entre 1.8 y 2.2, tomando valores menores para cuencas con grandes inclinaciones
Hidrograma Unitario Sintético de Snyder (Continuación)
El caudal pico del Hidrograma Unitario, por milímetro de lluvia neta, esta dado por:
qp = 0.275 Cp A / tp
A = Area de drenaje de la cuenca, Km2Cp = Coeficiente adimensional, variable entre 0.56 y
0.69, tomando valores mayores para cuencas congrandes inclinaciones.
GEOMORFOLOGIA FLUVIAL
1. CLASIFICACION DE LOS RIOSa. Por su edad:
- Ríos Jóvenes - Ríos Maduros - Ríos Viejos
b. Por sus áreas de inundación
- Ríos sin áreas de inundación (confinados)- Ríos con áreas de inundación
Río con áreas deinundación
CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación)
c. Clasificación Morfológica de los Ríos
- Ríos Rectos
- Ríos Trenzados
- Ríos Meándricos
Río Trenzado
Río Meándrico
CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación)
Lane observó y estudió ríos como el Mississippi, Missouri, y encontró las siguientes relaciones empíricas:
(meandros)0017.04/1 ≤SQ
(trenzado)1.0≥SQ 4/1
2. PROCESOS EROSIVOS
a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS
Características del Flujo en Curvas
ABLa migración de meandros se produce por el continuo proceso de erosión lateral
PUENTE UBICADO EN CURVA - EROSIONES
Estudios de Laboratorio de un Río con Meandros
Despues de 6 horas Despues de 10 horas
b. SOCAVACION GENERAL dg- Cuando ocurre una avenida (Qmax) se
genera una variación en el nivel del lecho del río
- Pueden haber fenómenos de agradación o de socavación
- Los fenómenos de socavación general son muy peligrosos y tienen que ser tomados en cuenta para definir las profundidades de cimentación de los pilares y estribos del puente
EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE
Socavación General
• Es el descenso temporal del fondo de un río producido por una creciente o avenida.
• Se debe al aumento de la capacidad de arrastre del material sólido de la corriente originado por su mayor velocidad.
C. EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONES LOCALES DEL FLUJO (Erosión Local)
Efecto del pilar de un puente
ESPIGONES O ESPOLONES
Características del Flujo alrededor de los espigones
Socavación local
a. Espigón con inclinación hacia aguas arriba
Erosión de ribera
b. Espigón con inclinación hacia aguas abajo
Socavación local
Socavación local
c. Espigón normal al flujo
Socavación local
SOCAVACION LOCAL
• Los procesos de erosión local, se originan en movimientos vorticosos que ocurren al pie de obstáculos puntuales al flujo en un curso fluvial.
• Se circunscribe a un lugar determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración. Rocha (1999)
D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE
3. FLUJO EN UN DE UN RIO
FLUJO EN UN RIO
• Impermanente• No Uniforme• Turbulento• Tri-dimensional
CALCULO DE VARIABLES HIDRAULICAS
EN FLUJO UNIFORME
VELOCIDAD:
Velocidad Media
V = R2/3.S1/2/n (Fórmula de Manning)
R: Radio HidráulicoS: Pendiente de fondon: Coeficiente de rugosidad deManning
Coeficiente de Rugosidad
• Adopta valores de acuerdo a la característica del lecho
• Depende de:Tamaño de partículas de fondoTamaño de formas de fondo
0.011
0.025
0.040
Cemento Liso
Tierra Gravosa
Tierra con Pedrones
nSupeficie
ESFUERZO CORTANTE:
- Esfuerzo Cortante en el fondo(τo)τo=γ.h.Sγ : Peso Específico del Aguah: TiranteS: Pendiente de Fondo
- Perfíl de Esfuerzos Cortantes(τy)• τy=γ.(h-y).S
EN FLUJO NO UNIFORME:
- Flujo Gradualmente Variado- Flujo Rápidamente Variado
GEOMETRIA DEL CAUCE
La geometría del cauce depende principalmente de:
- La descarga Q- Las características del lecho del río- El material de las riberas- El transporte de sedimentos
4. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL RIO
- La construcción de pilares y estribos de un puente, y de las estructuras de protección de las riberas, influyen en el tránsito de avenidas
- Esto hace que existan cambios morfológicos en el río, en la geometría del cauce, en la relación entre los niveles de agua y descarga
AGRADACIÓN PRODUCIDA EN EL CAUCE
Tipos de flujo dentro de un puente (1)
SOCAVACIÓN LOCAL EN PILARES DE PUENTE DE BANOS CORTOS, O ALCANTARILLAS TIPO MARCO
a. TRABAJOS DE RECONOCIMIENTO DE CAMPO
Se debe hacer un reconocimiento inicial de campo:
- Se debe determinar si el río tiene llanuras de inundación o cauces profundos
- Se debe determinar si el río es estáticamente estable, dinámicamente estable, o inestable
- Estudiar las variaciones de los niveles de agua
a. RECONOCIMIENTO DE CAMPO (continuación)
- Estudiar aproximadamente los rangos de variaciones de descargas
- Determinar el ancho de las llanuras de inundación, y las características de los meandros
- Analizar el tipo y granulometría del material del lecho
- Analizar los materiales que conforman las riberas del río
b. ESTUDIOS DE HIDROLOGIA
Los principales datos a obtener del análisis hidrológico son:
- La avenida de diseño (Qmax)- Caudales medios y mínimos- Curva caudal .vs. Tirante en la zona de
construcción del puente
C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTANEN RELACION CON LA UBICACIÓN
DEL PUENTE
ESTUDIO DE LA ZONA DE CRUCE DEL PUENTE
MIGRACIÓN DEL CAUCE PRINCIPAL DEL RIO AFECTANDO AL PUENTE
VISTA DE UN PUENTE DONDE EL RÍO PRESENTA MIGRACIÓN LATERALVISTA DE UN PUENTE DONDE EL RÍO PRESENTA MIGRACIÓN LATERALY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHAY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHA
UNA SELECCIÓN ADECUADADE LA UBICACIÓN DEL PUENTE1 Ubicación no recomendada,
puente en zona de confluencia de tributarios.
2 Puente colocado en curvafuerte, no recomendada
3 Puente en tramo al final decurva
UNA SELECCIÓN ADECUADADE LA UBICACIÓN DEL PUENTE1 Ubicación no recomendada,
puente en zona de confluencia de tributarios.
2 Puente colocado en curvafuerte, no recomendada
3 Puente en tramo al final decurva
ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIÓN DEL PUENTE
ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIÓN DEL PUENTE
1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanicofluvial.
2. Canalización recta de un tramo del río.3. Río con períodos prolongados de niveles bajos.4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente
por aporte de río tributario.5. Puente ubicado aguas abajo de una presa 6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminución de los tirantes aguas abajo del
puente.
1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanicofluvial.
2. Canalización recta de un tramo del río.3. Río con períodos prolongados de niveles bajos.4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente
por aporte de río tributario.5. Puente ubicado aguas abajo de una presa 6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminución de los tirantes aguas abajo del
puente.
ESCARPADO ABANICOALUVIAL
PLANO
•El nivel del cauce se puede elevar.•La dirección del flujo es incierta.•El cauce es inestable
•El nivel del cauce se puede elevar.•La dirección del flujo es incierta.•El cauce es inestable
CRUCE AGUAS ABAJO DE UN ABANICO FLUVIAL
• Mayor pendiente• Mayor velocidad• Aumento del transporte de sedimentos
• Socavación y posible erosiónretrograda
• Inestabilidad de márgenes• El río puede divagar• Peligro de erosión y socavación de las fundaciones
• Mayor pendiente• Mayor velocidad• Aumento del transporte de sedimentos
• Socavación y posible erosiónretrograda
• Inestabilidad de márgenes• El río puede divagar• Peligro de erosión y socavación de las fundaciones
CANALIZACIÓN DE UN TRAMO DEL RÍO
A A
CAUCE PARACAUDALES ALTOS
CAUCE PARACAUDALES BAJOS SECCION A-ACAUCE PARA
CAUDALES ALTOS
CAUCE PARA CAUDALES BAJOS
CURSO CARACTERIZADO POR CAUDALES BAJOSDURANTE PERIODOS MUY PROLONGADOS
• Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho• Aumenta el riesgo de socavación de las pilas en el cauce mayor• Inestabilidad de márgenes.
• Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho• Aumenta el riesgo de socavación de las pilas en el cauce mayor• Inestabilidad de márgenes.
• Contracción del río• Aumento de la velocidad• Erosión general.• Inestabilidad de márgenes
CURSOPRINCIPAL
CERRADO
BARRA
• Contracción del río• Aumento de la velocidad• Erosión general.• Inestabilidad de márgenes
TRIBUTARIO
EXCESO DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEBIDO A LA PRESENCIADE UN TRIBUTARIO INMEDIATAMENTE AGUA ARRIBA
PUENTE CON ABERTURA REDUCIDA POR LA AGRADACIÓN DE SU LECHO
LECHO ORIGINAL
EROSIÓNLOCALIZADA
SOCAVACIÓN APIE DE PRESA
•Socavación del lecho•Posibles cambios morfológicos del río.•Erosión localizada•Posible inestabilidad de márgenes.•Posible destrucción de la estructura por falla de la presa.
•Socavación del lecho•Posibles cambios morfológicos del río.•Erosión localizada•Posible inestabilidad de márgenes.•Posible destrucción de la estructura por falla de la presa.
DESCARGA DE AGUA LIMPIA
LECHO FINAL
REDUCCIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTOS DESDE AGUAS ARRIBA
• Sedimentación• Disminución de la sección del canal• Cambios en la geometría del río• Aumento de los niveles de crecida
• Sedimentación• Disminución de la sección del canal• Cambios en la geometría del río• Aumento de los niveles de crecida
DEPOSICION
REPRESA
AUMENTO DEL NIVEL
ELEVACIÓN DEL NIVEL AGUAS ABAJO
TRIBUTARIO
DISMINUCIÓN DE LOS TIRANTES AGUAS ABAJO DEL PUENTE
EROSIÓN RETROGRADA DISMINUCIÓN
CURSOPRINCIPALTRIB
UTARIO
PUENTEEROSIÓN
RETROGRADA
SEN
TID
ODE
LFL
UJO
• Erosión retrógrada. Socavación local y generalizada.• Inestabilidad de las márgenes
• Erosión retrógrada. Socavación local y generalizada.• Inestabilidad de las márgenes
DEL NIVEL
CURSO PRINCIPAL
D. ESTUDIOS DE HIDRÁULICA PARA EL DISEÑO DE PUENTES
● Cálculo de perfiles de flujo.● Problemas de socavación.● Fuerzas sobre pilares de puentes.● Pasos a seguir en los Estudios Hidráulicos● Control de erosión en puentes y en las
estructuras de protección
Cálculo de los perfiles de flujo
• Ecuación de continuidad• Ecuación de la energía• Ecuación de la cantidad de
movimiento
DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UNPUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION
Tipos de flujo dentro de un puente (1)
Tipos de flujo dentro de un puente (2)
Tipos de socavación• Variaciones del nivel del cauce a lo largo
de río• Socavación por contracción• Socavación local
– En pilares– En estribos– En diques
• Erosión total= General+Contracción+Local
Variaciones del nivel del cauce a lo largo del río (general)
• AgradaciónElevación del nivel del cauce
• Socavación generalDisminución del nivel del cauce
Cálculo de la Socavación - Método de LISCHTVAN-LEBEDIEVPte Rio Tomas Sección 0+010 Aguas Arriba
541.00542.00543.00544.00545.00546.00547.00548.00549.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
x (m)
Cot
a (m
snm
)
Cota Terreno en estiaje Nivel de aguas Cota Socavada
•Erosión máxima =1.73 m
CÁLCULOS
Socavación local• En pilares• En estribos• En diques• En espigones
ESQUEMA GENERAL DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CON FRENTE REDONDEADO
MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL EN PILARESDE PUENTES
Vórticede
Herradura
Vórticede
Estela
MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL EN PILARESDE PUENTES
Vórticede
Estela
Vórticede
Herradura
ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR
Flujo Flujo
Típico problema de escombros atrapadosen pilar circular.
PRESENCIA DE ESCOMBROS EN PILARES
DE PUENTES
PRESENCIA DE ESCOMBROS EN PILARES
DE PUENTES
VISTA DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBRE PILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR ÉSTE.
COLOCACIÓN DE CAISSONS PARA CIMENTACIÓN DE PILARES DEPUENTES.
Estribo
y LSuperficie de agua
Caudal
Angulo.
Canal Principal
Talud
1:1
Fondosin erosión
Flujo
ESQUEMA GENERAL DE UN ESTRIBO DE PUENTE SOBRE UNRIO
CARACTERISTICAS DEL FLUJO SOBRE UN ESTRIBO DE PUENTE
SENTIDODEL FLUJO
SIMULACIÓN DE SOCAVACIÓN EN ESTRIBO TÍPICO
•En pilares
DIVERSAS CLASES DE EROSIÓN QUE AFECTAN A LOS PUENTES
E. Estructuras de Protección
• Protección de Pilares• Protección de Estribos• Protección de Riberas
Erosión Local
Niveldel lecho
natural Nivel luego de laerosión general
Flujo
Enrocado deprotección
PILAR a
2.5 a
3.0 a
a
PILAR
ENROCADO DE PROTECCION ALREDEDOR DE UN PILAR, RECOMENDADO POR GALES
Protección de Estribos
• Sustituir el material erosionable del fondo, al pie del estribo, con un enrocado
• Colocar en el extremo de cada estribo un dique de encauzamiento o dique guía
PROTECCIÓN DE LOS ESTRIBOS DE PUENTE MEDIANTE CAJAS DE GAVIONES
ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONMEANDMEANDROS.ROS.
Ubicación de diques guía en un puente
Protección de Riberas
• Enrocados de Protección, o conotros elementos
• Diques de encauzamiento• Gaviones• Muros de concreto• Espigones
ENROCADO
OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONES DE GAVIONES
SOCAVACIÓN LOCAL EN GAVIONES COLOCADOSEN LAS MÁRGENES DELRÍO CHILLÓN, PARA PROTEGER LA CARRETERA A CANTAKM 83 , EN 1998
FENÓMENO DEBIDO A LA FALTA DE UNA CAMA DE COLCHONES EN LA PARTE INFERIOR