Rio Fonce Estudios Hidraulicos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESTUDIOS HIDROLÓGICOS, HIDRÁULICOS Y DE SOCAVACIÓN PARA CONSTRUCCIÓN DE UN PUENTE VEHICULAR EN EL MUNICIPIO DE SAN GIL, SANTANDER ESTUDIOS HIDRÁULICOS

VIAS EN VERDE Ingenieros Consultores

2011

DANIEL E. BERMUDEZ – 214073 DAVID O. GONZÁLEZ – 214030 YULDER TOBAR - 213708

BOGOTÁ D.C. - COLOMBIA

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Tabla de Contenido 1. LOCALIZACIÓN........................................................................................................... 2 2. CAUDAL DE DISEÑO .................................................................................................. 2 3. INFORMACIÓN DE TERRENO PARA DISEÑO .......................................................... 3 3.1. Topográfica – Batimétrica ....................................................................................... 3 3.2. Suelo ...................................................................................................................... 5 4. ESTIMACIÓN DE NIVELES DE AGUA ........................................................................ 8 4.1. Selección del coeficiente de rugosidad ................................................................... 8 4.2. Análisis Hidráulico .................................................................................................. 9 4.3. Gálibo ..................................................................................................................... 9 4.4. Afectaciones al régimen existente .......................................................................... 9 5. MODELACIÓN SOFTWARE HEC-RAS 4.0 - ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES ......................................................................................................10 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................13

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1. LOCALIZACIÓN La estructura es un puente vehicular sobre el Río Fonce, en inmediaciones de San Gil, Santander, para reemplazar el puente que actualmente opera sobre la Calle 10. La localización exacta de la ubicación del puente en coordenadas polares es 6º 33 ’7” Latitud Norte – 73º 7’ 57” Longitud Occidente, y con mayor precisión en términos de la nomenclatura local, sobre la Calle 10, entre Carreras 11 y 12 del municipio de San Gil, Santander.

Figura 1. Ubicación del puente (maps.google.com) Como se puede observar en la figura, la estructura estaría ubicada en un tramo rectilíneo del río, razón por la cual se garantiza que efectos por cambio en el cauce no generarán efectos negativos en la estructura.

2. CAUDAL DE DISEÑO Según el estudio hidrológico realizado para el diseño de esta estructura, bajo los parámetros establecidos por el Manual de Drenaje para Carreteras del INVIAS, el Caudal de Diseño es: Caudal de Diseño Recomendado: Qd = 847.98 m3/s

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3. INFORMACIÓN DE TERRENO PARA DISEÑO

3.1. Topográfica – Batimétrica Como el análisis hidráulico del río se hace con base en una sección de control, está se información se debería obtener de manera que se encontrara a una distancia prudente de la localización de la estructura para evitar alteraciones en los niveles del agua generados por el puente, además porque el estudio hidráulico se centrará en el estudio del remanso aguas arriba de la estructura. En ese sentido, según los parámetros establecidos por INVIAS, la batimetría del río aguas arriba deberá realizarse por lo menos a 4 veces la longitud del ancho del cauce en el lugar de la estructura, y aguas abajo a por lo menos 6 veces la longitud del mismo ancho. Ancho del cauce en el eje del puente:

80 m

4 Veces el ancho (para aguas arriba):

320 m

6 Veces el ancho (para aguas abajo):

480 m

Según lo anterior, es prudente anotar que no se cumplirán estos parámetros debido a la dificultad que se tuvo en el momento de obtener la información por la presente temporada invernal. Sin embargo, se obtuvo información de las secciones transversales del río a 200 metros aguas arriba del puente, y a tan solo 50 metros aguas abajo del puente. La información topográfica obtenida fue la siguiente:

Figura 2. Distribución de las secciones a lo largo del río.

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modelo Cas

Plan: plan CAS

26/05/2008

.065 1134

Legend

1132

EG PF 4

Elevation (m)

WS PF 4

1130

EG PF 3 WS PF 3

1128

EG PF 2

1126

WS PF 2 EG PF 1

1124

WS PF 1

1122

Ground Bank Sta

1120 -40

-20

0

20

40

60

80

Station (m)

Figura 3. Sección No. 4, ubicada en el K0+500. modelo Cas

Plan: plan CAS

26/05/2008

.065 1134

Legend

1132

EG PF 4

Elevation (m)

WS PF 4

1130

EG PF 3 WS PF 3

1128

EG PF 2

1126

WS PF 2 EG PF 1

1124

WS PF 1

1122

Ground Bank Sta

1120 -40

-20

0

20

40

60

80

Station (m)

Figura 4. Cas SecciónPlan: No. 3, ubicada el K0+550. modelo plan CAS en 26/05/2008 SECCION Nº 3 A GUAS ABA JO EN LA ENTRADA DLE LOTE DE LA CAS (K0+60 .065 1134

Legend

1132

EG PF 4

Elevation (m)

WS PF 4

1130

EG PF 3 WS PF 3

1128

EG PF 2

1126

WS PF 2 EG PF 1

1124

WS PF 1

1122

Ground Bank Sta

1120 -40

-20

0

20

40

60

80

Station (m)

Figura 5. Sección No. 2, ubicada en el K0+600.

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Plan: plan CAS

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26/05/2008

SECCION Nº 4 A GUAS ABA JO EN LA ENTRADA DEL LOTE DE LA CAS (K0+65 .065 1134

Legend

1132

EG PF 4 EG PF 3

Elevation (m)

1130

WS PF 4

1128

WS PF 3

1126

EG PF 2 WS PF 2

1124

EG PF 1

1122

WS PF 1 Ground

1120

Bank Sta

1118 -40

-20

0

20

40

60

80

100

Station (m)

Figura 6. Sección No. 1Cas aguas Plan: arribaplan en el Puente , ubicada en el K0+650. modelo CAS 26/05/2008 SECCION Nº 5 A GUAS ABA JO EN LA ENTRADA DEL PUENTE PPAL (K0+700) .065 1134

Legend EG PF 4

1132

EG PF 3 EG PF 2

Elevation (m)

1130

EG PF 1

1128

WS PF 4

1126

WS PF 3

1124

WS PF 2

Crit PF 4

Crit PF 3

Crit PF 2

1122

WS PF 1 Crit PF 1

1120

Ground Bank Sta

1118 -30

-20

-10

0

10

20

30

40

Station (m)

Figura 7. Sección No. 0, ubicada en el K0+700. De la información anterior se podrán abstraer los niveles máximos en eventos extremos, específicamente en crecientes extremas originadas durante 50 años que es el periodo de retorno para los diseños de la estructura, los cuales se denotan con el símbolo PF4. Igualmente, se podrán obtener las pendientes hidráulicas del río en las diferentes secciones, las pendientes del cauce, 3.2. Suelo La composición litológica en el sector consisten en rocas sedimentarias de origen marino, en su mayoría por lutita negra, blanda, en capas delgadas y en menor proporción caliza gris arenosa a arcillosa, fosilífera; arenisca de grano fino y lutita gris, pertenecientes a las Formaciones La Paja (Kip) y Tablazo (Kit) respectivamente de edad Cretáceo inferior y existen pequeños depósitos aluviales del Cuaternario.

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Las deformaciones estructurales son Anticlinales, Sinclinales y fallas orientados preferencialmente Norte-Sur y del dominio del sistema de falla del Suárez.

Figura 8. Mapa Geológico de Santander publicado por INGEOMINAS. Localmente las formaciones estratigráficas presentes corresponden a la Formación Tablazo (Kit) o San Gil Inferior. La unidad se caracteriza por presentar una topografía escarpada en forma de “graderías”, compuesta litológicamente por calizas macizas, gris azulosa, fosilífera con abundantes moldes de bivalvos y venas de calcita, intercaladas con estratos de areniscas lodosos. Se presenta un Deposito Coluvial, ubicado exactamente sobre el Barrio La Playa en la zona aledaña al sector objeto del presente análisis, el cual se describe como un depósito medianamente consolidado compuesto por fragmentos angulares de calizas y areniscas embebidos en una matriz compuesta por arcillas amarillentas de plasticidad media a baja (CL), no saturadas. El espesor de éste Deposito Coluvial puede alcanzar hasta más de 15 metros, y se infiere esto debido a la diferencia de altura entre la vía que conduce a Charalá y el nivel del cauce del Río Fonce en donde se observa que el Río Fonce no corta los estratos de la Formación Tablazo. La edad del depósito Coluvial corresponde al Cuaternario Reciente.

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Figura 9. Perfil litológico del suelo adyacente al Río Fonce. La influencia o importancia de los anteriores parámetros descritos no perjudican o amenazan la estabilidad del terreno, descartándose movimientos o deslizamientos indeseables. La probabilidad de que ocurra un deslizamiento particular en un determinado tiempo es baja, pero es importante implementar las obras de prevención, corrección, restricciones y control de uso, evitando o minimizando los efectos negativos que se puedan presentar.

Figura 10. La composición principal del suelo en las márgenes del río, está dada por sedimentos de arenas finas y arcilla.

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4. ESTIMACIÓN DE NIVELES DE AGUA 4.1. Selección del coeficiente de rugosidad La metodología que se utilizará para determinar el coeficiente de rugosidad, es el método de Cowan en el que se establece el coeficiente de rugosidad a partir de las características del cauce. La fórmula a utilizar será la siguiente:

Los criterios para determinar el los factores, están basados en la siguiente tabla:

Tabla 1. Valores para el cálculo de la rugosidad mediante el método de Cowan. De lo anterior, según la información gráfica y de campo, se determinan los siguientes valores: n0=0.020

n1=0.010

n2=0.005

n3=0.010

n4=0.020

n5=1.00

Por lo tanto, el coeficiente de rugosidad de Manning:

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4.2. Análisis Hidráulico En el análisis hidráulico se busca determinar el perfil de la superficie del agua para la creciente de diseño, información a partir de la cual se establece:   

El gálibo de la estructura. El impacto aguas arriba o remanso generado por el puente y Las distribuciones del flujo y la velocidad para la estimación de la socavación potencial y con ello la cota de cimentación de la infraestructura.

El análisis hidráulico se realizará con base en la modelación hecha en HEC-RAS, Capítulo 5, y estará basado en el método de paso estándar. 4.3. Gálibo Como se mencionó en la sección anterior, uno de los propósitos del estudio hidráulico presente, es la determinación del gálibo, que es la menor distancia entre la lámina de agua correspondiente al caudal de diseño y el canto inferior de las vigas del puente. En este aspecto, el Manual de Diseño Geométrico del INVIAS (Referencia 4.12) señala en su sección 7.1.1. “Gálibo”, los siguientes valores:   

Sobre corrientes de agua relativamente limpias en toda época: Mínimo dos metros (2.00 m) por encima del Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias (N.A.M.E.). Sobre corrientes de agua que en algunos períodos transportan desechos, troncos y otros objetos voluminosos: mínimo dos metros con cincuenta centímetros (2.50 m) por encima del N.A.M.E. Sobre cursos hídricos navegables. Dependerá del calado máximo de navegación, por lo que el valor debe ser definido por el Ministerio de Transporte.

En al caso del Río Fonce, se tendrá en cuenta el segundo criterio, el cual estipula que el gálibo mínimo para cumplir con los parámetros establecidos en el INVIAS, es de 2.50 metros. 4.4. Afectaciones al régimen existente En cuanto a las afectaciones que puede tener la estructura sobre las condiciones normales del flujo, obstruyendo la corriente como una situación no deseable, se podría originar un impacto sobre el perfil de la superficie de agua, produciendo un remanso hacia aguas arriba, en especial cuando el flujo es Subcrítico, o en otro caso, si el flujo es supercrítico y la contracción que origina el puente es severa, se puede llegar a formar un resalto hidráulico en cercanías del puente. Será por esta razón que en los diseños se deberá procurar no incurrir en estas situaciones, y tras la modelación se analizará este aspecto con sumo detalle.

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5. MODELACIÓN SOFTWARE HEC-RAS 4.0 - ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES Con la información que se tiene, se introducen los datos de entrada y se obtienen los siguientes resultados: 

      

Interpolación: Según el Manual de Drenaje INVIAS, la separación entre secciones puede ser igual a una vez el ancho de la sección, en este caso 80 metros, pero también se deberán tomar secciones donde cambien la planta, el perfil o la sección transversal y, naturalmente, por el eje del puente. Bajo esa perspectiva y como se tienen secciones transversales cada 50 metros a lo largo del río ni cambios en las condiciones geométricas del río, no se realizaron interpolaciones adicionales. La longitud total estudiada en el río, fue de 189 metros, de los cuales 139 correspondía a la parte aguas arriba del puente, y tan solo 38 a aguas abajo. El ancho de la placa del puente es de 12 metros. Las luces más largas del puente son de 20 metros. El ancho de las pilas es de 1 metro. La longitud del puente es de 80 metros. Para esas condiciones, fueron necesarias 3 pilas. En los estribos del puente, fue necesario adaptar terraplenes para garantizar la estabilidad en los apoyos.

Figura 11. Ubicación de las secciones y el puente con respecto al sentido del flujo.

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A continuación, se presentarán las imágenes de las secciones con el respectivo nivel del flujo arrojado por el modelo, una vez se introduce la estructura bajo condiciones extremas de flujo.

Figura 12. A la izquierda, sección transversal 0. A la derecha, sección transversal extremo aguas abajo del puente. En las dos imágenes, se denota con verde la línea de energía, con rojo la línea de profundidad crítica, y con azul la línea de profundidad normal.

Figura 13. A la izquierda, sección transversal extremo aguas arriba del puente. A la derecha, sección transversal 1. En las dos imágenes, se denota con verde la línea de energía, con rojo la línea de profundidad crítica, y con azul la línea de profundidad normal.

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Figura 14. A la izquierda, sección transversal 2. A la derecha, sección transversal 3. En las dos imágenes, se denota con verde la línea de energía, con rojo la línea de profundidad crítica, y con azul la línea de profundidad normal.

Figura 15. Sección transversal 4. En la imágen, se denota con verde la línea de energía, con rojo la línea de profundidad crítica, y con azul la línea de profundidad normal.

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Figura 16. Perfil del flujo a lo largo de la zona estudiada. En la imagen, se denota con verde la línea de energía, con rojo la línea de profundidad crítica, y con azul la línea de profundidad normal.  

El gálibo del puente dadas las profundidades modeladas, y las características de la estructura, es de 3,32 metros que se presenta en el extremo aguas arriba del puente. Esta característica se observa con claridad en la Figura 13 (izquierda). El gálibo cumple con las condiciones establecidas en el manual, de un mínimo de 2,50 metros para canales de las características asociadas.



Condiciones del flujo: Como se observa en la Figura 16, el régimen del flujo a lo largo del trayecto analizado no cambia. En la sección 3 se acelera y pierde energía de tal forma que se acerca significativamente a la energía mínima y condición crítica de flujo, pero esta pérdida no es suficiente como para alterar las condiciones normales.



Al final del trayecto se observa que el flujo alcanza la profundidad crítica, pero esto debido a que se asume la sección de aguas abajo como la sección de control en el trayecto estudiado.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Manual de Drenaje para Carreteras, INVIAS, Diciembre de 2009.



Sofware de uso libre HEC-RAS, Versión 4.0. Disponible en: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html



Manual para el uso de HEC-RAS, Versión 4.0. Disponible en: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-document.html

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