DISEO HIDRAULICO Y DEFENSAS RIBEREAS DEL PUENTE HUANCHUY.Edison
Orozco [email protected] E. Moreno Del
[email protected]: Diseo de Obras Hidrulicas
Facultad de Ingeniera Civil
Universidad Nacional de IngenieraRESUMEN: El resumen deber estar
escrito en Arial, 10 Pts, cursiva y justificado en la columna del
lado izquierdo como se muestra en este documento. Se debe de
utilizar la palabra RESUMEN, como ttulo en maysculas, Arial, 10
Pts, cursiva, negritas y espacio simple. El resumen no debe de
exceder de 150 palabras y debe establecer lo que fue hecho, como
fue hecho, los resultados principales y su significado. No cite
referencias en el resumen, ni borre el espacio sobre el resumen.
Dejar dos espacios en blanco despus del RESUMEN, para iniciar con
el texto del artculo.Palabras Clave: 1. INTRODUCCIN.El diseo de un
puente requiere de un correcto anlisis de la Hidrologa de la regin
y de la Hidrulica Fluvial del rio que atraviesa, pues la presencia
de un puente en una corriente crea un flujo restringido en sus
aberturas a causa de la reduccin del ancho de la corriente debido a
los pilares o a las contracciones asociadas en los extremos. La
canalizacin de la corriente misma en las proximidades del puente
(en el caso de ros con amplias planicies de inundacin) se utiliza
para reducir los costos de la estructura.El anlisis tambin incluye
estudios de fenmenos socavacin en la zona del puente, pues el
puente produce un aumento de la velocidad del flujo debido a la
contraccin o reduccin de la seccin natural del rio generando adems
un remanso aguas arriba, y por otro lado hay fenmenos de socavacin
local en los pilares y estribos. La variacin de los mximos niveles
de agua en la zona del puente dependen tambin de que el flujo de
aproximacin sea subcrtico o supercrtico. Los estudios de hidrulica
en el diseo de puentes son muy importantes para definir la altura y
la longitud adecuada del puente, para definir las profundidades de
cimentacin de la estructura, para disear los sistemas de defensa en
pilares y estribos; y hacer diseos de defensas ribereas aguas
arriba y aguas abajo del puente debido al incremento de los
tirantes mximos, por influencia del puente, que pueden afectar
propiedades ubicadas en la riberas del ro. .
Por lo tanto, es importante determinar la mnima longitud de la
luz libre (consideraciones econmicas) que no llegue a causar sobre
elevaciones indeseables. Para establecer los niveles permisibles
aguas arriba, se deben realizar investigaciones detalladas de las
propiedades en inmediaciones de la corriente. Aguas abajo del
puente los niveles del agua solo estn influenciados por la seccin
de control ms prxima debajo del puente. Estos niveles pueden, por
tanto, fijarse mediante clculos del perfil del flujo de avenida al
pasar por la zona del puente. En general los estudios para el diseo
del Nuevo Puente Huanchuy requieren de estudios de Hidrologa e
Hidrulica Fluvial a fin de determinar. Los niveles mximos de agua,
las velocidades y direcciones de flujo en estas condiciones. Las
profundidades de socavacin general, por contraccin, y socavacin
local en los estribos y pilares. Diseo hidrulico de las obras de
encauzamiento y proteccin.2. ANALISIS DE ESTUDIOS.2.1.
HIDROLOGA.
El proyecto se encuentra en el poblado de Huanchuy, distrito de
Chincho, provincia de Angaraes, departamento de Huancavelica. A una
altura de 2600 msnm. El puente cruza el ro Cachi, La cuenca del ro
Cachi tiene las caractersticas principales que se muestran en la
Tabla 1. En la figura 1 se muestra una vista satelital de la cuenca
del ro Cachi usando el Google Earth, delimitado con la lnea roja
desde el punto de ubicacin del puente (Punto P). Tabla 1. Parmetros
Geomorfolgicos de la cuenca del ro CachiParmetrosCaracterstica
rea (km2)1716.2
Permetro (km)222.6
Longitud del Cauce Principal (km)89.5
ndice de Compacidad1.52
Figura 1. Cuenca del rio Cachi, desde el punto de ubicacin del
puente.El ro Cachi, en la zona de estudio, no dispone de registros
de caudales, por lo que los caudales mximos deben ser generados a
partir de datos de precipitaciones mximas de 24 horas. La estacin
usada es San Pedro de Cachi, con un rango de registro de 1998-2007,
cuya ubicacin se muestra en la Tabla 2.Tabla 2. Estacin
Pluviomtrica usada en los estudiosEstacinLatitudLongitudAltitud
msnm
San Pedro de Cachi130374212990
Despus de efectuar las pruebas de bondad de ajuste, del registro
de precipitaciones mximas de 24 horas, se encuentra que la funcin
de probabilidad que mejor se ajusta a la muestra es la distribucin
de Gumbel (Zonas alto andinas). En base a la distribucin de
probabilidad Gumbel obtenemos las precipitaciones para diferentes
periodos de retorno T (Tabla 3).Tabla 3. Precipitacin mxima de 24
horasT (aos)Pmx 24 horas (mm)
10061
50071
Para la determinacin de los caudales mximos se aplica un mtodo
indirecto, mediante el uso de relaciones precipitacin escorrenta
(mtodo hidrometereolgico). Aplicamos el mtodo del Hidrograma
Unitario Sinttico de Snyder [1]. Snyder defini el Hidrograma
unitario estndar como aquel cuya duracin de lluvia tr est
relacionada con el retardo de cuenca tp por:
El retardo de cuenca esta dado por:
En donde L es la longitud del cauce principal en km y Lc es la
longitud del cauce principal hasta la altura del centro de gravedad
de la cuenca, en km. El caudal pico por unidad de rea de drenaje en
m3/s*km2 del hidrograma unitario estndar es:
Adems por las caractersticas de la cuenca se considera un nmero
de curva de CN=92, en la Tabla 4 se muestra los resultados
obtenidos. Estos resultados se obtuvieron usando el programa HEC
HMS 3.5.Tabla 4. Caudales mximos obtenidos a partir de datos de
precipitacinTQmx (m3/s)
100763
500991
La altura mnima del puente se determina con clculos hidrulicos
con el caudal de 100 aos de periodo de retorno, y los clculos de
socavacin y el diseo de los sistemas de defensa se hacen tomando en
cuenta los caudales con el periodo de retorno de 500 aos [2].2.2.
HIDRAULICA FLUVIAL.
Como se observa en la Figura 2 el tramo del ro donde Figura 2
.Ro Cachi y las caractersticas del cauce en la zona de estudio.se
ubicar el puente es recto, en la imagen se puede observar que el
cauce est formado principalmente de arena gruesa, gravas y cantos
rodados, adems el ro tiene una pendiente longitudinal alta de So =
0.011. El anlisis granulomtrico del material del cauce se muestra
en la Tabla 5. La gravedad especfica de slidos es de Ss=2.61.Tabla
5.Granulometra del material del cauce (mm)D35D50D75
60100200
Aguas arriba y aguas abajo del eje del puente proyectado el
cauce es recto, y el cauce principal del ro cruza la carretera
aproximadamente perpendicular al eje de la va, y lo mismo ocurre
con los flujos de avenida, es decir los estribos de puente sern
perpendiculares al eje de la va.La determinacin del coeficiente de
Manning n, se evala en funcin del coeficiente de friccin f de
Darcy-Weisbach, el radio hidrulico R y el dimetro D84, en este caso
consideraremos D84D75, . y por evaluaciones efectuadas en otros ros
similares .
El estudio de alternativas para las dimensiones del puente se
basa en la determinacin de tirantes mximos de tal manera que para
luces mayores no ocurran cambios significativos ni en los tirantes
ni en las velocidades de flujo y profundidades de socavacin
adecuadas que no afecten la cimentacin de los estribos, pilares del
puente y la estabilidad del relleno de la carretera adyacente al
puente y estas puedan ser controladas con un sistema adecuado de
defensas ribereas. Sobre la base de la luz recomendada se debe
determinar si el puente tendr pilares intermedios.Los clculos de
socavacin, dimensiones de los elementos de proteccin de los taludes
y del cauce, se efectan considerando la mxima avenida con periodo
de retorno de T = 500 aos (Q=763 m3/s), mientras que los niveles
mximos y las velocidades de flujo para la determinacin de la altura
del puente se considera la mxima avenida con periodo de retorno de
T = 100 aos (Q=991 m3/s).El estudio de la erosin fluvial [3], se
analiza en tres etapas. Para la erosin por contraccin se analiza
antes la velocidad crtica, es decir la velocidad por encima del
cual el material del lecho de tamao D50 y menor ser transportado y
en funcin del tirante del flujo, este anlisis previo es importante
pues nos indicara si el anlisis se realizara con agua limpia (sin
transporte de sedimentos) o con lecho mvil (con transporte de
sedimentos). Un anlisis con agua limpia es el que genera mayor
socavacin por la alta capacidad de transporte de sedimentos del
agua.
Donde y es la profundidad del flujo. Luego de este anlisis
previo se calcula la erosin por contraccin, en el caso de agua
limpia se tiene.
Donde Q es el caudal, Dm = 1.25D50, Wes el ancho de la
contraccin, y0 es la profundidad de la contraccin antes de la
erosin, ys socavacin por contraccin.La erosin de los pilares se
calcula con el Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU).
Esta ecuacin fue desarrollada con base en anlisis dimensional de
los parmetros que afectan la socavacin, y anlisis de datos de
laboratorio. Este mtodo est en funcin de la profundidad del flujo
aguas arriba del pilar y1, del ancho del pilar a, nmero de Froude
Fr, la correccin para la forma de pilar k1, y de la correccin para
el ngulo de ataque del flujo k2.
La erosin de los estribos se calcula con el Mtodo de Froehlich.
Basada en un anlisis dimensional y en un anlisis de regresin de
laboratorio para 170 mediciones de socavacin en lecho mvil. Este
mtodo est en funcin de la longitud del estribo L y de la
profundidad media en la llanura de inundacin ya, en donde los otros
parmetros ya fueron definidos.
La socavacin total se obtiene de la suma de las erosiones de
cada caso, para esto se utiliz el programa HEC-RAS 4.1 para el
anlisis de velocidades, profundidades del flujo y anlisis de la
erosin para diferentes longitudes del puente. En la Tabla 6 se
observan los resultados del anlisis, que permiten definir una luz
adecuada del puente.Tabla 6. Caractersticas del flujo Q = 763 m3/s
(T=100 aos) y profundidades de socavacin Q = 991 m3/s (T = 500 aos)
para diferentes luces del Puente Huanchuy.Luz (m)Velocidad
(m/s)Tirante aguas arriba (m)Tirante en la seccin del Puente
(m)Socavacin en los pilares. (m)Socavacin en estribos. (m)Socavacin
por Contraccin. (m)Socavacin Total (m)
PilaresEstribos
604.474.044.161.7111.331.903.6113.23
804.013.613.961.667.221.302.968.52
1003.783.603.791.616.501.152.767.65
1103.673.473.701.606.091.052.657.14
Analizando los resultados de la Tabla 6, se recomienda que la
luz adecuada del puente esta en el orden de 80 m. Para la eleccin
de la luz ms apropiada se debe observar tambin que los fenmenos de
socavacin deben ser aceptables para ser controlados con un sistema
de defensas ribereas, se observa que con luces del orden de
magnitud mayor a 80 m la socavacin total tiene poca variacin. Adems
con luces mayores a la recomendada los tirantes de flujo sufren
variaciones pequeas, es decir ya no son significativas. Con
referencia a los valores de socavacin se recomienda una luz de un
orden de magnitud de L = 80 m
Determinada la longitud del puente se realiza el anlisis
hidrulico en base al estudio del flujo gradualmente variado que
ocurre cuando el flujo de avenida pasa a travs de la abertura del
puente. El programa HEC RAS 4.1 se utiliz para la determinacin de
las caractersticas del flujo de avenida aguas arriba, aguas abajo
del puente y en el puente considerando la avenida de 100 aos de
periodo de retorno.El puente propuesto tiene 80 m de luz, con dos
pilares intermedios separados 27 m. El dimetro de los pilares
circulares es de 1.4 m. Dado el ancho del cauce, al ocurrir la
avenida de diseo, las lneas de corriente convergen hacia la
abertura del puente originando fenmenos de socavacin por
contraccin. El borde libre para el diseo se considera de F = 2.00
m. La determinacin final de la luz del puente depender sin embargo
de la comparacin de costos de los accesos con el costo del puente.
En las secciones transversales de la Figura 3 se muestra la
ubicacin del puente en referencia a la seccin del rio. En la Tabla
7 se muestran los resultados del anlisis de flujo de avenidas en
donde se observa mximo tirante de agua es de 3.61 m cuyo valor se
recomienda para determinar la cota de la base de la viga del
puente, adems tambin se recomienda la altura mnima del puente
medido desde el cauce hasta la base de la viga de apoyo el valor de
6.00 m.
Figura 3. Ubicacin del puente, con referencia a la abertura
total del cauce.Tabla 7. Resultados del estudio del flujo de
avenida, Q100 = 763 m3/s
SeccinTirante Medio (m)Tirante Mximo (m)Elevacin mnima (m)Nivel
de agua (m)Velocidad del flujo (m/s)Nmero de Froude
7501.031.352579.002580.565.291.45
7001.242.052579.002581.132.680.6
6501.432.092578.002581.112.020.45
6001.672.472577.982580.701.950.40
5501.883.212577.002580.532.570.46
3501.242.502574.012577.186.451.30
3001.613.042573.402577.594.380.80
2752.063.662573.002577.743.540.59
2502.983.612573.002577.434.010.67
225Puente
2002.372.792573.002576.495.130.98
1501.922.912572.002575.954.940.92
1002.32.872571.982575.475.180.98
502.142.722571.692574.855.681.10
2.3. SISTEMAS DE DEFENSA.La necesidad de colocar defensas en la
zona del puente se debe a la necesidad de reducir la socavacin
local, proteger el relleno de la carretera, que se aproxima al
puente, contra los fenmenos de socavacin, adems de conducir el
flujo a travs del puente.Tomado en cuenta los resultados de los
clculos hidrulicos, que se indican en la Tabla 9 se concluye que se
deben colocar defensas ribereas para proteger los estribos, pilares
y los taludes de la carretera adyacentes al puenteTabla 9. Valores
de socavacin para el caudal T=500aosTipo de
SocavacinEstructuraSocavacin (m)
GeneralContraccin1.30
LocalPilar1.66
Estribo derecho7.13
Estribo izquierdo7.22
Para la proteccin de los pilares es necesario colocar un
enrocado alrededor desde una profundidad de 3.5 m, y as evitar la
socavacin total. En el reforzamiento del pilar del puente Huanchuy,
se debe colocar un enrocado de proteccin de un mismo ancho. En la
Figura 4 se muestra una vista en planta del enrocado de
proteccin.
Figura 4. Vista en planta del enrocado alrededor del pilar.En
los estribos existir una fuerte convergencia de las lneas de
corriente del flujo de avenidas al pasar a travs del puente,
principalmente en la margen izquierda, tal como se muestra en la
Figura 5.Figura 5. Convergencia de las lneas de corriente al
acercarse a la abertura del puente.Debido a que existe una
significativa convergencia en las lneas de corriente, en la margen
izquierda, es necesario dirigir el flujo de avenida hacia el puente
mediante diques gua. Estos diques gua hacen que las velocidades del
flujo sean perpendiculares al puente y protegen los estribos de los
fenmenos de socavacin local.
Sobre la base de lo expuesto, se colocarn diques gua, en la
margen izquierda aguas arriba y aguas abajo del puente. En la
Figura 6 se muestra un esquema de un dique gua tpico. En el Manual
de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad de Mxico [4]
se recomienda longitud de diques ligeramente superiores a la
longitud del puente, el Departamento de Transporte de Los Estados
Unidos de Norte Amrica (USA) [5] presenta un nomograma para puentes
menores que 80 m, e indica que en la prctica se ha encontrado que
diques de 50 m de longitud han tenido un buen comportamiento. Para
el puente Huanchuy se selecciona una longitud del dique gua aguas
arriba del puente L1 = 50 m y aguas abajo del puente L2 = 18 m.
Figura 6. Coordenadas del dique gua.En planta la orientacin de
los diques siguen las siguientes ecuaciones. Aguas arriba se
utiliza la Ec. (11), mientras que aguas abajo la Ec. (12).
Para el clculo del tamao del enrocado de proteccin de los
pilares se utilizo el Mtodo del Factor de Seguridad. El valor de
diseo recomendado es de 1.5.
Donde Dm es el dimetro del enrocado, es el esfuerzo de corte,
peso especfico del agua y es el nmero de estabilidad. Se obtiene as
un dimetro de enrocado de 0.75 m.
Segn el resultado obtenido, debe considerarse un enrocado de
proteccin de dimetro medio 0.80 m al pie de los pilares y segn la
configuracin mostrada en la Figura 7. Figura 7. Dique Gua, seccin
transversal.En cuanto a la granulometra del enrocado Simons &
Senturk recomiendan que la relacin entre el mximo tamao del
enrocado y el dimetro medio debe ser alrededor de 2.0 y la relacin
entre D50 y D20 debe ser tambin del orden de 2.0. Por lo que el
enrocado debe tener las siguientes caractersticas alrededor de los
pilares y en el talud de los diques gua: Dimetro medio del
enrocado:0.80 m
Dimetro mximo del enrocado:1.60 m
Dimetro mnimo del enrocado:0.40 m
Espesor mnimo del enrocado:1.60 m
CONCLUSIONES.
El estudio hidrulico da como resultado que las dimensiones
adecuadas del puente son una longitud 80 m, y altura mnima desde el
cauce de 6.0 m. El tirante aguas arriba del puente es de 3.61 m y
la velocidad del flujo es de 4.01 m/s, los clculos hidrulicos para
la determinacin de estos valores se efectuaron con un caudal de
diseo de Q = 763 m3/s, el cual tiene un periodo de retorno de T =
100 aos. Estos mximos tirantes no deben llegar a alcanzar la base
de ninguna de las vigas del puente, por eso se recomienda un borde
libre de 2.0 mLos clculos de socavacin se efectuaron para un caudal
de diseo Q = 991 m3/s, el cual tiene un periodo de retorno de T =
500 aos. Con este caudal y con la longitud del puente recomendada
se ha obtenido profundidades de socavacin por contraccin de 1.30 m,
socavacin locales en los pilares de 1.66 m y socavaciones locales
en los estribos de 7.13 m (estribo derecho) y de 7.22 (estribo
izquierdo)Se deben construir diques guas, en la margen izquierda,
que hagan que las velocidades del flujo sean perpendiculares al
puente. De esta manera se disminuyen los efectos hidrodinmicos
sobre los pilares, y se protege el estribo izquierdo del puente.
Los taludes aguas arriba de los diques gua deben ser protegidos con
enrocado, con las mismas caractersticas que el enrocado en los
pilares. El enrocado de proteccin de los diques gua debe tener las
siguientes caractersticas:
Se debe colocar un enrocado de proteccin en la base del talud de
aguas arriba del dique desde el nivel ms bajo del cauce hasta una
profundidad de 2.0 m.
El tamao medio de las rocas en la cabeza del dique, aguas
arriba, debe ser de D50 = 0.80 m
El espesor mnimo del enrocado, en la cabeza del dique, aguas
arriba debe ser de 3.2 m.
En el resto del talud, el tamao medio de las rocas debe ser de
D50 = 0.80 m. El espesor mnimo del enrocado debe ser de 1.60 m.
Las rocas no deben tener un tamao uniforme. El tamao mximo de
las rocas es de dos veces el dimetro medio; y el D20 de las rocas
debe ser la mitad del tamao medio, y el dimetro mximo debe ser el
doble del tamao medio.
La roca debe ser dura, irregular, de cantera y resistente a la
accin del agua.Se sugiere hacer estudios para controlar la erosin
de los taludes con bioingeniera, esta nueva alternativa ha
demostrado ser efectiva en muchos casos adems de reducir los costos
de proyectos.REFERENCIAS.
[1] Chow. V. T, Hidrologa Aplicada, McGraw-Hill, pp 231-236.
1994.
[2] Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Manual de
Hidrologa, Hidrulica y Drenaje, Empresa Editora Macro E.I.R.L., pp.
69-146, 2011.
[3] U.S. Department of Transportation, River engineering for
highway encroachments, National Highway Institute, pp. 7.7-7.27.
Dec 2001.
[4] Comisin Federal de Electricidad, Manual de diseo de Obras
Civiles, Instituto de Investigaciones Elctricas, 2008.
[5] U.S. Department of Transportation, Stream Stability at
Highway Structures, Federal Highway Administration, Feb 1991.
0.4 L
L
Dique gua
0
Y (eje del puente)
Puente
Flujo
X
3.5 m
4 m
2.0 m
Enrocado al pie del talud