LA INGENIERIA HIDRAULICA EN EL DISEÑO DE PRESAS Y PUENTES Ing. EDGAR RODRIGUEZ ZUBIATE
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MAPA DEL PERU
HIDROLOGIA • LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA LA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERE VIVOS • LA
INGENIERIA
HIDROLOGICA
INCLUY
AQUELLAS PARTES CAMPO QUE ATAÑEN AL DISEÑO DEL Y OPERACIÓN PROYECTOS DE INGENIERIA PARA CONTROL Y EL USO DEL AGUA
EL CICLO HIDROLOGICO
GEOMORFOLOGIA FLUVIAL 1. CLASIFICACION DE LOS RIOS a . P or s u e d a d : - R ío s J ó v e n e s - R ío s M a d u r o s - R í o s V i e jo s b . P o r s u s á r e a s d e i n u n d a c ió n - Ríos sin áreas de inundación (confinado - Ríos con áreas de inundación
Río con área inundación
CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación) c. Clasificación Morfológica de los Ríos - R ío s R e c t o s - R ío s T r e n z a d o s - Ríos Meándricos
Río Trenzado
Río Meándrico
CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación
Lane observó y estudió ríos como Mississippi, Missouri, y encontró las siguiente relaciones empíricas:
SQ
1/ 4
≤
0.0017
(meandros)
1/ 4
SQ
≥
0 .1
(trenzado)
PRESAS
PRESA DE CONCRETO GRAVEDAD
PRESA DE ARCO
PRESA DE ARCO
PRESA DE TIERRA
SECCION DE LA PRESA HACIA AGUAS ABAJO
SECCION DE LA PRESA DE TIERRA DE SECCION MIXTA
CORTE EN LA ZONA DE UBICACIÓN DE LAS COMPUERTAS
FLUJO A TRAVES DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA
1. CONSIDERACIONES PARA DETERMINAR LA ALTURA DE UNA PRESA
a. Nivel Máximo Normal de Agua ( H n ). Es el máx nivel de agua almacenado en un reservorio,
la ocurrencia avenidas b. considerar Nivel de Sobrecarga ( H de ). Es el máximo nivel s cual la masa de una determinada avenida almacena temporalmente más allá del nivel máx normal de agua c. Nivel Durante la Ocurrencia de la Avenida de Di ( Hd ). Es el máximo nivel de agua que ocurre cua el exceso de agua proveniente de la avenida diseño fluye a través del vertedero de demasias
d. Nivel Mínimo de Agua. Es el mínimo nivel de ag respecto al volumen neto del reservorio y capacidad por debajo de este nivel que corresponde volumen muerto V) e. Altura de las Olas Producidas por el Viento ( h 1.1 0.45 h = 0.00086 V F metros V
F = Fetch, es la máxima distancia medida desde presa, hasta el otro extremo del reservorio, durante la ocurrencia de la avenida de diseño
V = Velocidad del viento f. Altura de las olas debido a sismos ( hS ). Fórmula de K = Coeficiente sísmico de dis Seiichi Sato hS = ( K Τ/2¶ ) ( g H n) Τ = Ciclo del terremoto, seg.
ALTURA DE LA PRESA ( H ) En Japón se recomienda que la altura H de la debe ser el mayor valor qque dan las siguien relaciones Altura H ( mts ) Hn + hV + hS + 1 HS + hV + hS/2 +1 Hd + hV + 1
Observaciones En el caso que hV + hS < 2, entonces H = Hn + 3 V + hS/2 < 2, En el caso que h entonces H = HS + 3
En el caso que hV < 1, entonces H = Hd + 2
2. CONSIDERACIONES SOBRE LA DETERMINACIO DEL VOLUMEN DEL RESERVORIO La determinación de la capacidad total de un reservo está en función de tres principales componentes: a. El almacenamiento activo, o volumen neto requ para la regulación del flujo de un río b. El volumen muerto requerido para almacenamiento de sedimentos c. La capacidad de almacenamiento para regulaci inundaciones
Cada uno de total estos del componentes, forma capacidad reservorio, que pueden modelados y estudiados separadamente, y despu sumados para determinar el volumen total del va de almacenamiento
2.2 Almacenamiento Activo o Volumen Neto
Los caudales que discurren por un río no s constantes en el tiempo.
Es posible regular el comportamiento d regimen de un río almacenando parte volumen de agua mediante la construcción una presa. La determinación del volumen d
almacenamiento S se hace mediante un estud de operación de reservorios St + Qt – Dt – Lt = St+1 St = Volumen del reservorio en el tiempo 1 St+1 = Volumen del reservorio en el tiempo t + 1 Qt Dt Lt
= Caudales de entrada no regulados = Caudales de salida del reservorio de acuerdo las demandas = Pérdidas por evaporación e infiltración
2.2 Volumen Muerto para el Almacenamiento de Sedimentos
El destino final de todos los reservorios es
llenarse con los sedimentos que transporta e río. En base a los cálculos de transporte de sedimentos y al período de vida reservorio, que puede ser de 50, 10, 200
años, etc,llenado se determina volumen muerto que será por los un sedimentos durante el periodo de vida del reservorio
3. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL VERTEDERO DE DEMASIAS
3.1 Avenida de Diseño. Se debe estimar la
avenida diseño con el cálculos de la estabilidad de propósito la presa, ydepara calcular las dimensiones del vertedero de demasías, y de la altura de la presa. Para el cálculo de la avenida de diseño
debe recurrir la probabilida frecuencia conallaestudio cual un de determinado caudao puede ser igualado o excedido
3.2 Transito de avenidas a traves de embal
Este análisis es importante para la determinación de la altura de la presa y de las dimensiones del vertedero de demasías y compuertas En caudal que sale por el vertedero de demasía, y a través de las compuertas es meno que el caudal de avenida que entra al reservorio, debido al efecto regulador del embalse
La curva A representa el hidrograma de avenida de diseño La curva B es el hidrograma de salida a trav del vertedero y de las aberturas de
compuertas, determinada en base a un estudio tránsito de avenidas a través del embalse Curva A
Curva B
I–O=
VERTEDERO LATERAL
DISIPADOR DE ENER
VERTEDERO DE CANAL LATERAL
VERTEDERO DE POZO
DISIPAD ENERGIA
VERTEDERO DE DEMASIAS DE POZO O MORNING GLO
CRESTA DEL VERTEDE RECOMENDADA POR ARMY ENGINEERS WATERWAYS EXPERIM STATION
DISIPADORES DE ENER V1 > 18 m/s Fr1 4.5
V1 < 18 m/s Fr1 4.5
2.5 < Fr1 < 4.5
4. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LAS OBRAS DE TOMA
Las obras de toma sirven para regular o da salida al agua lamacenada en una presa
Las estructuras de las obras de toma pueden descargar directamente en el río, o se tienen obras que descargan en un canal, o bras que descargan en una tubería forzada
EJEMPLO DE UNA ESTRUCTURA DE TOMA EN UNA PRESA PEQUEÑA
La boca de entrada de la toma debe tener un Perfil adecuado para evitar turbulencia Problemas de cavitación
FORMA DE LA ENTRADA DE LA TOMA
PUENTES
PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE 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
Las características de un hidrograma de crecientes depend de las características de la cuenca
RioLlalli- Puno
RíoMayo– SanMartí
1. PROCESOS EROSIVOS
a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURV
Características del Flujo en Curvas
La migración de meandros se produce por el continuo proceso de erosión lateral
B
PUENTE UBICADO EN CURVA - EROSIONES
b. SOCAVACION GENERAL dg - Cuando ocurre una avenida (Qmax) genera una variación en el nivel del lech del río - Pueden haber fenómenos de agradación de socavación - Los fenómenos de socavación general s muy peligrosos y tienen que ser tomado
en para de definir profundidade de cuenta cimentación los las pilares y estribo del puente
EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE
Socavación General
• Es el descenso temporal del fondo de un r producido por una creciente o avenida.
• Se debe al aumento de la capacidad arrastre del material sólido de la corrien srcinado por su mayor velocidad.
C. EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONE LOCALES DEL FLUJO (Erosión Local)
Efecto del pilar de un puente
ESPIGONES O ESPOLONES
Características del Flujo alrededor de los espigon Socavación local
Erosión de rib
a.
Espigón con inclinación hacia aguas arriba Socavación local Socavación local
b.
Espigón con inclinación hacia aguas abajo
Socavación local
c.
Espigón normal al flujo
SOCAVACION LOCAL • Los procesos de erosión local, se originan movimientos vorticosos al pie d obstáculos puntuales al que flujo ocurren en un curso fluvial. • Se circunscribe a un lugar determinado, y veces también está limitada a una cierta duración. Rocha (1999)
D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE
2. 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 Hidráulico S: Pendiente de fondo n: Coeficiente de rugosidad de Manning
Coeficiente de Rugosidad • Adopta valores de acuerdo a la característica del lech • Depende de: Tamaño de partículas de fondo Tamaño de formas de fondo
Supeficie
n
Cemento Liso
0.011
Tierra Gravosa
0.025
Tierra con Pedrones
0.040
ESFUERZO CORTANTE: - Esfuerzo Cortante en el fondo( o) τo=γ.h.S γ : Peso Específico del Agua h: Tirante S: Pendiente de Fondo - Perfíl de Esfuerzos Cortantes( y) • 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
3. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL RIO -
-
L a c o n s t r u c c ió n d e p il a r e s y e s t r ib o s
un puente,dey las de riberas, las estructuras protección influyen en tránsito de avenidas Esto hace que existan camb morfológicos en el río, en la geometr
del cauce, en la relación entre los nivele 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 CORTO ALCANTARILLAS TIPO MARCO
a. TRABAJOS DE RECONOCIMIENTO DE CAMPO
Se debe hacer un reconocimiento inicial d -
campo: Se debe determinar si el río tiene llanura de inundación o cauces profundos Se debe determinar si el río e estáticamente estable, dinámicamen estable, o inestable Estudiar las variaciones de los niveles d agua
a. RECONOCIMIENTO DE CAMPO (continuación) -
Estudiar aproximadamente los rangos d
-
variaciones Determinar de el descargas ancho de las llanuras d inundación, y las características de lo meandros Analizar el tipo y granulometría d material del lecho Analizar los materiales que conforman la riberas del río
-
b. ESTUDIOS DE HIDROLOGIA
Los principales datos a obtener del anális -
hidrológico son: La avenida de diseño (Qmax) Caudales medios y mínimos Curva caudal .vs. Tirante en la zona construcción del puente
C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN EN RELACION CON LA UBICACIÓN DEL PUENTE
ESTUDIO DE LA ZONA DE CRUCE DEL PUENT
MIGRACIÓN DEL CAUCE PRINCIPAL DEL RIO AFECTANDO AL PUEN
VISTA DE UN PUENTE DONDE EL RÍO PRESENTA MIGRACIÓN LATERAL Y EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHA
UNASELECCIÓN SELECCIÓNADECU ADEC UNA DELA LAUBICACIÓN UBICACIÓNDEL DEL DE PUENTE PUENTE
Ubicaciónno norecomend recomen 11Ubicación
puente puente en en zona zona de de confluenciade detributar tributar confluencia Puentecolocado colocadoen encur cur 22Puente fuerte,no norecomendada recomendad fuerte, Puenteen entramo tramoalalfina fin 33Puente curva curva
ALGUNOS PROBLEMAS PROBLEMASQUE QUESE SEPRESENTAN PRESENTANCON CON ALGUNOS RESPECTOAALA LAUBICACIÓN UBICACIÓNDEL DELPUENTE PUENTE RESPECTO Puenteinmediatamente inmediatamenteaguas aguasabajo abajode deun unabanico abanico 1.1. Puente fluvial. fluvial. Canalizaciónrecta rectade deun untramo tramodel delrío. río. 2.2. Canalización Ríocon conperíodos períodosprolongados prolongadosde deniveles nivelesbajos. bajos. 3.3. Río Excesode desedimentos sedimentosen enlalaabertura aberturadel del puente puente 4.4. Exceso poraporte aportede derío ríotributario. tributario. por Puenteubicado ubicadoaguas aguasabajo abajode deuna unapresa presa 5.5. Puente Puenteubicado ubicadoaguas aguasarriba arribade deuna unapresa. presa. 6.6. Puente Disminuciónde delos lostirantes tirantes aguas aguasabajo abajodel del 7.7. Disminución puente. puente.
ESCARPADO
•El nivel niveldel del cauce cauce •El puedeelevar. elevar. puede •Ladirección direccióndel delfluj flu •La incierta. incierta. •Elcauce cauceesesinestable inestabl •El
ABANICO ALUVIAL
PLANO
CRUCE AGUAS ABAJO DE UN ABANICO FLUVIAL
Mayorpendiente pendiente ••Mayor
CANALIZACIÓN DE UN TRAMO DEL RÍO
Mayorvelocidad velocidad ••Mayor Aumentodel deltransport transporte ••Aumento sedimentos sedimentos Socavaciónyyposible posiblee ••Socavación retrograda retrograda ••Inestabilidad Inestabilidadde demárg márg Elrío ríopuede puededivagar divagar ••El Peligrode deerosión erosiónyy ••Peligro socavaciónde delas lasfundacio fundaci socavación
CAUCE PARA
CAUCE PARA CAUDALES ALTOS
CAUDALES BAJOS
A
SECCION A-A
A
CAUCE PARA CAUDALES ALTOS
CAUDAL
CURSO CARACTERIZADO POR CAUDALES DURANTE PERIODOS MUY PROLONGA
Paracaudales caudalesbajos bajosse sedesarrolla desarrollaun uncauce cauceen enelellecho lecho ••Para Aumentaelelriesgo riesgode desocavación socavaciónde delas laspilas pilasen enelelcauce caucemayor mayor ••Aumenta Inestabilidadde demárgenes. márgenes. ••Inestabilidad
Contraccióndel delrío río ••Contracción Aumentode delalavelocid velocid ••Aumento Erosióngeneral. general. ••Erosión Inestabilidadde demárge márg ••Inestabilidad CURSO PRINCIPAL
TRIBUTARIO
C
R ER
AD
O
BARRA
EXCESO DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEBIDO A LA PRES DE UN TRIBUTARIO INMEDIATAMENTE AGUA ARRIBA
PUENTE CON ABERTURA REDUCIDA POR LA AGRADACIÓN DE SU LECHO
•Socavacióndel dellecho lecho •Socavación •Posiblescambios cambiosmorfológicos morfológicosdel delrío. río. •Posibles •Erosiónlocalizada localizada •Erosión •Posibleinestabilidad inestabilidadde demárgenes. márgenes. •Posible •Posibledestrucción destrucciónde delalaestructura estructura •Posible porfalla fallade delalapresa. presa. por
DESCARGA DE AGUA LIMPIA
LECHO ORIGINAL
SOCAVACIÓN A PIE DE PRESA
EROSIÓN LOCALIZADA
LECHO FINAL
REDUCCIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTOS DESDE AGUAS ARRIBA
Sedimentación ••Sedimentación Disminuciónde delalasección seccióndel delcanal ca ••Disminución Cambiosen enlalageometría geometríadel delrío río ••Cambios Aumentode delos losniveles nivelesde decrecida crecid ••Aumento AUMENTO DEL NIVEL
REPRESA
DEPOSICION
ELEVACIÓN DEL NIVEL AGUAS ABAJO
Erosiónretrógrada. retrógrada. Socavación Socavaciónlocal localyy ••Erosión generalizada. generalizada. Inestabilidadde delas lasmárgenes márgenes ••Inestabilidad
PUENTE
RIO A T U IB R T
SIÓN DA ERO ROGRA RET
O O J DI LU T F N L E S DE
EROSIÓN RETROGRADA
DISMINUCIÓN DE LOS TIRANTES AGUAS ABAJO DEL PUENTE TRIBUTARIO
CURSO P
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 U PUENTE 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+Loca
Variaciones del nivel del cauce a lo largo del río (general) • Agradación Elevación del nivel del cauce • Socavación general Disminución del nivel del cauce
Cálc ulo de la Soc avac ión - Método de LISCHTVAN-LEBED IEV Pte Rio Tomas Se cc ión 0+0 10 Aguas Arriba 549.00 548.00 )m547.00 n 546.00 s (m545.00 a t 544.00 o C 543.00
542.00 541.00 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
x (m) Cota Te rre no en e stiaje
Nive l de aguas
Cota Soc avada
•Erosión máxima =1.73 m
CÁLCULOS
Socavación local • • • •
En pilares En estribos En diques En espigones
ESQUEMA GENERAL D
FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CON FRENT REDONDEAD
Vórtice Vórtice de de Estela Estela
Vórtice Vórtice de de Herradura Herradura
ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR
F l uj o
Flu jo
Típico problema de escombros atrapados en pilar circular.
PRESENCIADE DE PRESENCIA ESCOMBROSEN ENPILARES PILARES ESCOMBROS DEPUENTES PUENTES DE
VISTA DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBRE PILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR ÉSTE.
COLOCACIÓN DE CAISSONS PARA CIMENTACIÓN DE PILARES DE PUENTES.
Estribo
Su
y
pe L rfic ie de a d lu Ta
l uda a C
1:1
gua
Fondo sin erosión Angulo.
al Ca n
pal i c n Pri
Flujo
ESQUEMA GENERAL DE UN ESTRIBO DE PUENTE SOBRE RIO
CARACTERISTICAS DEL FLUJO SOBRE UN ESTRIBO DE PUENTE
SENTIDO DEL 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
Flujo
PILAR
Nivel natural del lecho
Nivel luego de la erosión general
Enrocado de protección
Erosión Local
2.5 a a PILAR
a
3.0 a
ENROCADO DE PROTECCION
ALREDEDOR UN PILAR, D RECOMENDAD 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 CO MEANDROS.
Ubicación de diques guía en un puente
Protección de Riberas •
• • •
Enrocados de Protección, o con otros elementos Diques de encauzamiento Gaviones Muros de concreto
•
Espigones
ENROCADO
OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHON DE GAVIONES
