DISEO HIDRAULICO Y DEFENSAS RIBEREAS DEL PUENTE HUANCHUY.Edison Orozco Mandujano.eorozcom@uni.pePedro E. Moreno Del guila.erdulf@gmail.comCurso: 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