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AMHXXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012AMH

Introducción

Los ríos han producido grandes daños en la humanidad, pero esto se debe a que no se respeta sus llanuras, cauces; Se construye una serie de obras hidráulicas como: Puentes, bocatomas, etc. La bocatoma que se investigara tiene una problemática muy especial pues es una bocatoma diseñada con un flujo supercrítico producto de la fuerte pendiente que tiene, La construcción de obras de toma representa una alteración de las condiciones normales de escurrimiento, y por lo tanto deben esperarse cambios fluviomorfológicos importantes como erosión y sedimentación. La Bocatoma Huachipa que constituye la obra de cabecera de un proyecto de abastecimiento de agua para la Zona Norte de Lima. Cuando se emplea una bocatoma del tipo barraje mixto, gran parte del caudal pasa por el barraje móvil durante los eventos extremos. Esto conlleva a una concentración de flujos (mayores a los flujos que ocurren en forma natural) aguas abajo del barraje móvil.

Figura 1. Bocatoma Huachipa emplazada en el Río Rímac

Si el lecho del río está constituido por material erosionable como: arenas, limos, gravas etc. que en condiciones naturales resiste el paso del flujo disperso sobre todo el lecho, es de suponer que al concentrarse el flujo sobre una margen, se producirán desequilibrios que llevaran a la incisión del cauce. Las medidas como las distancias, velocidades, tirantes, etc. se escribirán primero en las medidas del modelo y al costado entre paréntesis se incluirán las medidas que representan en el prototipo. Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza y sobre todo dentro del campo de la hidráulica, son tan complejos que no es suficiente tratarlos únicamente con métodos matemáticos, por lo que es conveniente recurrir al empleo de técnicas experimentales. Los modelos matemáticos

plantean soluciones con modelos idealizados, lo que permite simplificaciones importantes, que a su vez causan efectos que deben ser valorados mediante ensayos experimentales. El

empleo simultáneo de ambas técnicas de investigación permite obtener mejores resultados ya que el modelo matemático toma los resultados del modelo físico y viceversa, de modo que esta interacción nos lleva a acercarnos al comportamiento real del fenómeno analizado.

Figura 2. Panorama de encañonamiento en el lecho aguas abajo de la poza disipadora en el prototipo

Objetivos

El objetivo esencial que se tiene es proteger la bocatoma sección aguas abajo frente a la erosión con estructuras de enrocado dispuestas transversal y longitudinalmente en el cauce. . Jiménez y Bateman (2006) señalan que las traviesas “son estructuras que se colocan enterradas en el lecho del curso fluvial dispuestas perpendicularmente a la dirección del flujo, de orilla a orilla y con cota de coronación apenas superior a la cota del fondo del río. Suelen trabajar en conjunto y su objetivo es ralentizar el descenso de cota del lecho debida a la erosión general” . Además es discutible la necesidad de colocar una cama de enrocado de transición aguas abajo de la poza disipadora del barraje móvil para dispersar el flujo por todo el ancho del lecho, evitando su incisión. En este trabajo se describirá los ensayos realizados para la protección del lecho mediante en varias secciones del río. La Bocatoma Huachipa se encuentra emplazada sobre el río Rímac, que es un río de fuerte pendiente con un régimen supercrítico, siendo esta pendiente de 3.23% en el tramo Chosica – Océano Pacifico. El caudal de diseño es de 580 m3/s correspondiente a un periodo de retorno de 1000 años determinado mediante métodos probabilísticos a partir de caudales máximos instantáneos.

Aspectos teóricos

Es importante definir claramente que “erosión” significa la pérdida o remoción de material del lecho producida por una alteración de las condiciones de equilibrio del río, según Vide (2000) señala que la erosión en un cauce es el descenso del fondo (o el retroceso de las orillas) como consecuencias de fenómenos de dinámica fluvial naturales o realizados por el hombre. Cabe distinguir la erosión general de la erosión local,

PROTECCIÓN DEL LECHO DE UN RÍO EN OBRAS DE CAPTACIÓN

CASO DE APLICACIÓN: BOCATOMA HUACHIPA

Castro Inga, Luis Fernando1, 2

Montenegro Gambini, Julio Isaac1, 2

(1)(2) Posgrado, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería

(1)(2) Área de Ingeniería. Laboratorio Nacional de Hidráulica. Av. Túpac Amaru 210. Lima 25. Perú. Teléfonos: (51) (1) 481-1991 / 481-1920

[email protected], [email protected]



esta primera puede explicarse por la acción de un flujo de agua caracterizado simplemente por una velocidad media. Afecta a tramos largos del cauce y sería la única o primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad. La erosión local del fondo se explica por la acción de un flujo complejo, que en una sección de la corriente (vertical, horizontal) requerirá una descripción bidimensional de las velocidades, se presenta asociada a singularidades como obstáculos.

Por otra parte, “equilibrio” implica que el perfil del lecho es estable, la cantidad de partículas erosionadas es igual a la cantidad de partículas sedimentadas y las cotas de fondo permanecen invariables. El concepto de equilibrio se encuentra expresado en la relación de Lane (1955) propuso tener en cuenta 4 variables: el caudal liquido, el caudal sólido, la pendiente (i) y el tamaño de sedimento (D) y las dispuso en la analogía de una balanza:

Figura 3. Analogía de la balanza de Lane (1955)

Podemos aceptar que una batería de traviesas, siempre que resista, es un lugar no erosionable en el río. Cuando decimos que una traviesa protege, implícitamente admitimos que el lecho contiguo a la traviesa se mantiene a cota fija, a la misma de la traviesa. Así deducimos que la traviesa impide la erosión (ver figura 2). Ahora bien, esto sólo es razonable aguas arriba de la traviesa. Aguas abajo, muy al contrario, se desarrollará un efecto inducido por la obra llamado erosión local. Pero, además, la traviesa impide aguas arriba sólo la erosión a largo plazo y la de las aguas bajas. A largo plazo, el perfil longitudinal de un río con tendencia a la erosión sería simplemente más bajo.

Figura 4. Papel desempeñado por las traviesas en un proceso de erosión lenta, que llevaría el fondo a la línea discontinua.

Los puntos fijos condicionarían el descenso, quedando poco a poco como puntos más sobresalientes, mientras aguas abajo aparecerá un salto. Este descenso o erosión general aguas abajo es una amenaza directa a la traviesa y también es una amenaza indirecta porque el mayor desnivel del salto de agua agravará la erosión local. En definitiva, la traviesa limita la extensión de la erosión a largo plazo, más que impedirla, pero también se ve amenazada por ella. La pendiente entre tramos limitados por traviesas parece ser directamente proporcional a

la distancia entre traviesas. Esta propiedad resta eficacia a poner las traviesas muy juntas pues de todos modos el salto será mayor del esperado.

La variable de más influencia en reducir la erosión sería la distancia entre traviesas. Esto es también exactamente así en las erosiones discutidas anteriormente, pero teniendo en cuenta el efecto adverso indicado, de modo que el espaciamiento de una serie de traviesas se convierte en el parámetro ingenieril más importante (según la figura 3), en la función y también en el costo.

Figura 5. La pendiente del cauce es transformada al intercalar las traviesas

El cauce de aguas bajas puede ser guiado al centro del cauce mayor si cada traviesa es un poco más baja en el centro, con esto el cauce de aguas bajas no alcanzara a los encauzamientos y no habrá erosión lateral. En conclusión, El papel de una traviesa en situación de avenida no es claro: la traviesa como punto fijo podría ser simplemente una reprensión al descenso de fondo sobre todo si imaginamos un grupo (batería) de traviesas. Cuando la traviesa sobresale del cauce no debe confundirse con una presa de retención de sólidos o dique torrencial, ya que el volumen de sólidos contenido por la traviesa es insignificante.

Para las otras funciones conviene que no sobresalga del cauce, o incluso que esté enterrada, de modo que limite la erosión suficientemente pero al tiempo permita un cierto descenso transitorio del fondo. Los umbrales de fondo o barrera sumergidas en ríos grandes se usan contra la erosión del lecho y también para modificar o regularizar la posición de los fondos.

Martín Vide y Del Agua (1994) ha desarrollado estudios sobre erosión local en traviesas para la protección de cauces a partir de éstos, Bateman (1995) analizó la influencia del talud de aguas abajo de la traviesa y de la profundidad de coronación de ésta en la erosión local. Estos autores realizaron numerosos ensayos en aguas limpia sin sedimentos y han concluido en que el factor más importante para la erosión es el régimen hidráulico mientras que la geometría de la estructura apenas influye. También observaron que para el resalto anegado se obtiene mayor erosión (hasta 4 veces el salto provocado con la traviesa en el momento de su colocación) y un foso menos alargado en contraposición a lo que ocurre cuando el resalto es ondulado. A su vez, Bateman (1999) estudió la distancia y el desnivel entre traviesas consecutivas.

En estos experimentos se comprobó que tanto la evolución temporal del fenómeno como la erosión del foso aguas abajo de la estructura dependen del régimen hidráulico y que a su vez éste está condicionado por la propia estructura y sobre todo por la altura relativa entre la base de la traviesa y la cresta de la duna generada inmediatamente aguas abajo del foso. Otras conclusiones importantes que se extrajeron de este estudio es que la erosión máxima del foso depende de la pendiente entre traviesas y que existe relación entre el foso de erosión y el perfil de equilibrio aguas abajo.



Problemática

En el ensayo con lecho móvil se observó que el cauce en la margen derecha empezó a erosionar. Producto de las altas concentraciones de velocidad lo cual intensificaban los esfuerzos cortantes y estos a la vez arrastraban las partículas del fondo. La protección de estructuras construidas en cauces, como las bocatomas no son descritas en su totalidad, pues requieren de investigación detallada. Un método sería observando los fenómenos morfológicos en un modelo físico, analizando lo que podría pasar y su similitud en la realidad. Las diversas maneras de proteger el lecho de un río es: usando vegetación; traviesas de escollera, enrocado en el fondo del cauce, etc.

Figura 6. Descenso presentado en el Modelo Físico - lecho sin protección

Esto se observa desde las pruebas con los caudales más bajos, es decir a partir de 1.98 L/s (20 m3/s). Posteriormente, cuando el caudal aumenta por encima de 12.85 L/s (130 m3/s), se produce rebose del barraje fijo y el agua empieza a fluir sobre la margen izquierda. Debido a que el fondo del río ha descendido en la margen izquierda, entonces el caudal tiende a concentrarse sobre el canal profundizado, aumentando aún más el caudal unitario y produciéndose un descenso acelerado. Hasta la prueba de 29.65 L/s (300 m3/s) sin incorporar sedimentos, el cauce desciende aproximadamente 3.25 cm (1.3 m).

Figura 7. Formación del canal piloto en la margen derecha aguas abajo en el modelo físico.

A partir de la prueba de 46.45 l/s (470 m3/s) se presentaron velocidades mayores a 0.63 m/s (4 m/s) además el lecho desciende hasta tocar fondo además la socavación para la prueba de 470 m3/s, calculada con valores medios diarios, se encuentra en el orden de 10 cm (4 m). Mayores caudales provocarían un descenso aún mayor.

El canal piloto llego a tener un ancho medio de 150 cm (60 m) y la erosión máxima fue de 0.127 m (5.10 m), formándose induce a la concentración de esfuerzos cortantes en parte de la sección transversal, lo que se extiende en dirección aguas

abajo y también podría extenderse en dirección aguas arriba lo que puede dañar la bocatoma.

En la Figura 1, se puede apreciar que para el paso del caudal máximo registrado hasta el momento desde cuando empezó a funcionar la bocatoma fue de 112 m3/s parte del enrocado o rip-rap ubicado aguas abajo de la poza disipadora fue desplazado con facilidad. Además se observó erosión profunda en la margen derecha debida a las altas velocidades y presiones fluctuantes que se generan en flujos macroturbulentos aguas abajo de disipadores o resaltos hidráulicos.

Figura 8. A caudales más frecuentes ya se ha formando el canal piloto en el prototipo del cauce aguas abajo de la bocatoma

Huachipa

Lopardo (2005) señala que es necesario tomar en consideración los parámetros del flujo fluctuante para una adecuada definición de los enrocados estables de protección en zonas fuertemente solicitadas por acciones fluctuantes aguas debajo de disipadores de energía. Es por este motivo que se siguió su metodología para colocar un enrocado de transición aguas abajo de la poza disipadora de energía del barraje móvil. Para los ensayos del lecho móvil con y sin incorporación de sedimentos, aguas abajo de la bocatoma se presentó una incisión en la margen derecha, tal como lo muestra la Figura , formándose una incisión profunda del cauce, al que llamaremos encañonamiento.

La erosión puede producirse de modo natural, con la corriente como agente geológico de erosión, o es posible que la cause el hombre, como sucede cuando se encauza la corriente, que trae como consecuencia un aumento del caudal unitario, aumento de los esfuerzos cortantes o la reducción del aporte de sedimentos en un tramo, como ocurre aguas abajo de una bocatoma. El lecho puede descender considerablemente por la erosión.

Modelo Matemático

Para revalorar los procesos de erosión y sedimentación del lecho del río Rímac, en el tramo donde se emplazará la obra de la bocatoma se aplicó el modelo CCHE2D basado en el equilibrio de transporte de carga de lecho de materiales uniformes, que integra numéricamente las ecuaciones del flujo no permanente y del transporte de sedimentos en forma no acoplada, utilizando relaciones constitutivas turbulentas y aplicando una variante del método de elementos finitos. El modelo resuelve las ecuaciones hidrodinámicas no-



permanentes y bidimensionales del flujo de agua en el cauce del río, utilizando relaciones constitutivas turbulentas y aplicando una variante del método de elementos finitos, la cual es el método de elementos eficientes.

En base al campo de velocidades determinado en el dominio computacional, integra en la profundidad del flujo la ecuación de convección-difusión para el transporte de sedimentos en suspensión, y la ecuación de continuidad para los sedimentos de arrastre de fondo. Una descripción detallada del modelo se presenta en los trabajos de Duan y Wang (2002) y Zhang (2005).

Figura 9. Malla generada en CCHE2D-MESH para el análisis hidródinámico

La información hidrológica y sedimentológica básica para el modelamiento, se obtuvieron de informes técnicos para el proyecto de la Bocatoma Huachipa. Se utilizó el hidrograma de caudales medios mensuales correspondientes a los meses de Diciembre a Abril del periodo de años 1987-2007 para el análisis en flujo no permanente y los caudales históricos calculados estadísticamente para el análisis durante avenidas extraordinarias. El lecho del río Rímac se caracteriza por el predominio de materiales gruesos con granulometría extendida que varían desde arenas, gravas, piedras, cantos rodados y bolonería.

Las simulaciones de la evolución temporal del lecho del cauce se realizaron para escenarios sin proyecto y con proyecto. Los resultados de las simulaciones sin proyecto, muestran un incremento en el tiempo de la variación del lecho, concentración de velocidades, esfuerzos cortantes y predominio del proceso de erosión en zonas localizadas del lecho aguas abajo del eje de la presa (Figura 10). En las simulaciones del escenario con proyecto, la presencia de la presa derivadora dentro del lecho altera sustancialmente el campo de velocidades y el proceso de la evolución temporal y natural de la configuración del lecho del río. Aguas arriba de la presa derivadora, se produce el proceso de sedimentación, que transforma lecho, reduciendo su sección hidráulica. En aguas abajo, se toman los resultados de las erosiones presentes.

Figura10. Concentración del campo de velocidades en la margen derecha de la Bocatoma Huachipa (Hidrograma de 20 años)

Los resultados de las simulaciones en el escenario con la bocatoma nos muestran que el diseño del aliviadero de compuertas tendría un funcionamiento hidráulico apropiado con capacidad para la evacuación de los sedimentos de fondo En la salida de los canales del aliviadero e inicio de la rápida de ingreso a la poza disipadora, las velocidades del flujo alcanzan velocidades altas (de 8 m/s a 9.5 m/s). En la poza disipadora se reducen las velocidades por la formación del resalto hidráulico ahogado (por debajo de 1.5 m/s), aumentando las velocidades después de la salida de la poza disipadora (de 2 m/s a 5 m/s)

La evolución temporal de la variabilidad del perfil longitudinal del lecho con proyecto (5, 10, 15 y 20 años) presenta zonas localizadas de erosión creciente con el tiempo que alcanzaría hasta una profundidad de 1 m en 20 años. Si comparamos con los resultados de la socavación general calculado con el métodos convencionales en el mismo tramo del río Rímac, se observa una profundidad de socavación de 4.5 m para una avenida con periodo de retorno de 1000 años (caudal máximo de 580 m3/s).

Metodología

Para controlar la erosión general de manera eficaz se construyó una serie de traviesas de enrocado o escollera y una cama de enrocado en transición (Figura 11). El modelo utilizado en esta investigación es un modelo de lecho móvil de escala 1/40, en el que se observan los procesos de erosión y sedimentación longitudinal y transversal. Las orillas y las planicies se del río se modelaron como rígidas.

Las velocidades presentadas aguas abajo de la poza disipadora del barraje móvil llegaron hasta 5 m/s y los tirantes conjugados presentados en el modelo fueron del valor de 2.40 m hasta 3 m, medidas en prototipo sin protección (LNH, 2010). Una vez definido estos parámetros se ingresa al diagrama que propuso Lopardo (2005) resultando un diámetro estable ds = 2.0 m. La longitud que se calculó fue tomada del criterio usado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos donde la longitud del rip rap es de diez veces el tirante conjugado aguas abajo.

Este cálculo dio como resultado 30 m (desde la progresiva 0+810 - 0+840) generando una transición gradual de enrocado.



Figura 11. Propuesta para protección ante incisión del lecho aguas debajo de la bocatoma

Las traviesas de escollera fueron diseñadas tomando en cuenta el método de estabilidad de momentos (Stevens and Simons 1971) donde señala que las condiciones de umbral se producen cuando los momentos de las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre un equilibrio una sola partícula resiste los momentos de la fuerza. La relación de los momentos resistentes entre los momentos de generación de movimiento (actuantes), se define a través de dos factores de estabilidad.

La figura 12 ilustra las fuerzas que actúan sobre una partícula sin cohesión descansa sobre un talud con un ángulo Θ1, y un ángulo de Θ0 aguas abajo. Esas son las fuerza de sustentación FL, la fuerza de arrastre FD, la fuerza de empuje FB y el peso de la FW de partículas. Siempre y cuando el ángulo de inclinación de la superficie de agua en la dirección aguas abajo es pequeño, a la fuerza de empuje puede ser restada del peso de la partícula para dar el peso sumergido de la partícula FS = FW-FB.

La fuerza de sustentación se define como la fuerza del fluido normal al plano del talud y la fuerza de arrastre está actuando a lo largo del plano en la misma dirección que el campo de velocidades alrededor de la partícula. Las variables de diseño fueron: Esfuerzo cortante 0=506.48 N/m2, el ángulo de reposo =40º, el ángulo del talud 1=27º, la pendiente longitudinal S=0.02 m/m, el ángulo de las líneas de corriente =0.

Figura 12. Diagrama de Fuerzas y de partículas en estudio según estabilidad de momentos (Stevens y Simons 1971)

Los datos fueron calculados con el modelo físico y algunos con los modelos computacionales tales como: HEC-RAS 3.1.1 y CCHE2D, resultando un diámetro representativo de d= 1.45 m. Se tomó una pendiente para las traviesas de 2%, las longitudes de los espaciamientos fueron de 2.25 m (90 m), 1.5 m (60 m) y 1.5 m (60m).

Experimentación

El estudio experimental se ha realizado en un modelo físico en el Laboratorio Nacional de Hidráulica “Alfonso Alcedán la Cruz” de la Universidad Nacional de Ingeniería. Se usó una escala no distorsionada de longitudes 1/40. El LNH cuenta con un área total de 17 000 m2, de los cuales 12 000 m2 se destinan para pruebas en modelo hidráulico. El modelo físico es abastecido desde una cisterna de 120 m3 de capacidad por medio de 4 bombas centrífugas que pueden impulsar en conjunto hasta 700 l/s a un tanque elevado de 5 m3 de capacidad.

Todo este caudal regresa a la cisterna por medio de un sistema de canales de retorno. La tubería de alimentación que transporta agua desde el tanque elevado al modelo es de acero de 355,6 mm (14”) de diámetro interior, terminando en la alimentación a un tanque de albañilería, el cual está provisto a la salida de un vertedero triangular de bronce de 90º con un limnímetro de gancho marca Neyrpic, que permite medir niveles de carga de agua sobre el vertedero con ± 0,1 mm de precisión.

Después de terminado el “Estudio en modelo físico y matemático de la bocatoma Huachipa en el río Rímac” LNH (2010), los trabajos para esta investigación empezaron con la colocación del lecho móvil, que consistió en depositar el material tamizado, modelando la granulometría del lecho del río Rímac (Figura 13), sobre la superficie de concreto se empezó calculando la cota de piso en cada punto de las secciones transversales donde la curva de nivel las intersecaba. En estas ubicaciones, se colocó un stobolt (esto es un cilindro, hueco en su interior que puede enroscarse sobre un pequeño tornillo que se colocaba en el piso de concreto).



Figura 13. Selección del material del Lecho y Enrocado

La altura se calculaba restando la cota de piso (prototipo) de la cota requerida (prototipo) y dividiéndola entre 40 (escala). Se calculó la distribución granulométrica del material de lecho a escala. Verificándose ésta distribución se procedió a instalarlo en el lecho móvil.

Figura 14. Disposición de la bocatoma vista aguas arriba

Para el caudal de 9.88 l/s (100 m3/s), se inicio los ensayos el día viernes 25 de febrero del 2011 siendo a las 9:40 am, todos los ensayos duraron 8 horas (Figura 15). Siguiendo las descripciones generales mencionadas arriba, se puede visualizar que la zona de la margen derecha del cauce aguas abajo es la primera que sufre inundación, se vertió permanganato de potasio (Figura 16) para visualizar las líneas de corriente y corroboraron que la concentración del flujo es mayor en la margen derecha, aunque también se registra flujos en la margen izquierda. El flujo es evacuado en su totalidad por el barraje móvil, haciendo que el flujo pase por la transición de enrocado de manera ondular debido al cambio busco de rugosidades. Una vez pasado esto el nivel del agua incrementa hasta poder superar la corona de la T1-R.

El flujo se detuvo en la T1R-0+930 (que tiene una cota de coronación sobresalida) hasta esparcirse parte de la masa de agua por todo el ancho del cauce presentando un resalto anegado transitorio, Bateman et al (2000) señalan que este cambio de rápido a lento produce un resalto móvil que viaja desde la duna hasta la traviesa donde choca para disipar la energía y desaparecer por completo. El lecho comienza a descender y cuando la traviesa emerge el flujo nota el desnivel y sin despegarse del fondo el lecho aguas abajo de la traviesa se socava, el flujo se deprime acelerándose, cosa que lo hace más erosivo. Se midió la longitud del resalto en la margen derecha y tenía un valor aproximado de 30.20 cm (12.0 m) pero conforme este avanzaba hacia la parte central (paralelo a la longitud de la traviesa) disminuía.

Figura 15. Experimentación en el lecho con cama de enrocado en transición y traviesas

Para la T2V-1+020 presento un resalto hidráulico cuya longitud fue de 50 cm (20 m), repartido uniformemente en una longitud de 1.30 m (52 m) paralelo a la longitud de la T2V, con un tirante conjugado de 4 cm (1.6 m) en la margen derecha (distancia medida desde la margen derecha hacia el eje del río), presentando sedimentación en la parte central del cauce, continuando con 1 m (40 m) de espejo de agua.

En la T3C-1+080 por ser una traviesa completamente sumergida (nivel coincide con el perfil del terreno) no presentó un resalto. En toda su longitud transversal se evidenció un espejo de agua. En la margen derecha se observo un espejo de agua de 1 m (40 m) de longitud y en la margen izquierda se midió 1.40 m (56 m) de espejo de agua.

En la T4-B 1+140 algunas rocas pertenecientes a la traviesa fueron desplazadas, presentándose una gran erosión local aguas abajo. En la parte central del cauce los materiales finos se sedimentaron. Desde el tramo 1+140 hasta 1+280 en la margen derecha se presenta un gran erosión formándose un canal piloto de ancho promedio de 25 cm (10 m).

Para el ensayo con el caudal de 17.79 l/s (Qp=180 m3/s) se pudo visualizar que la zona de la margen derecha del cauce existen velocidades mayores. En la zona de la transición se puede observar que el flujo se presenta de una forma ondulada producto de la rugosidad del lecho. Se observó que el enrocado sufrió un desplazamiento de 27 cm (10.80 m). Si se compara el lecho original con el lecho ensayado se tiene una sedimentación de 3.6 cm (1.44 m) las partículas sedimentadas son muy pequeñas (En la parte central).

Aguas debajo de la T1R se pudo apreciar que comenzó a crecer la erosión. Incluso se movieron algunas partículas del enrocado de la T1R, desplazando un enrocado de 30 mm (1.20 m) y 20 mm (8 m) depositándolos en el foso de erosión. En la segunda traviesa no se observó ningún desplazamiento de las rocas que conforman la escollera, el flujo se esparció casi en un 90 % en su longitud transversal de la traviesa presentado una erosión de 40 cm (16 m). En la parte central del cauce se evidencio tirantes muy pequeños con velocidades muy pequeñas generando una sedimentación de 540 mm (21.60 m). La tercera traviesa funcionó totalmente sumergida en toda su longitud el flujo.

Para el Caudal de 29.65 l/s (Qp= 300 m3/s) En el enrocado de la transición las partículas que lo conforman empezaron a vibrar presentando volteo.



En la T1R se generó un resalto anegado estable que se caracteriza por la entrada de un chorro que ingresa en la masa de agua con ángulos grandes respecto de la horizontal. Se presentaron desplazamientos de rocas de la traviesa de 16 cm (6.40 m).

Figura 16. Vertido de trazador a base de permanganato de potasio (KMnO4) a través del barraje móvil

Para el ensayo con el caudal de 46.45 l/s (Qp=470 m3/s), la granulometría del foso de erosión de las traviesas presentan casi un diámetro uniforme. Para la T4B se presenta un resalto mucho mayor que el de los ensayos anteriores, ocurriendo erosión aguas abajo de la traviesas. Aguas abajo de la T2V el máximo desplazamiento registrado fue de 42 cm (16.80 m). También se puede observar que en la parte central del cauce se presenta sedimentación y en el extremo izquierdo presenta una erosión considerable. En el tramo 1+140-1+280 la formación del canal piloto (figura 7) en la margen derecha presento una erosión máxima de 30 cm (12 .0 m) con un ancho de 33 cm (13.20 m).

El último caudal de 57.52 l/s (Qp=580 m3/s). En la progresiva 0+780 en la margen izquierda se midió una erosión máxima de 6 cm (2.40 m). Tanto para la T1R y T2V ocurre una gran erosión aguas abajo (margen derecha) alcanzando una erosión del foso la cimentación de las traviesas. Para la T1R ocurrieron desplazamientos de rocas de la traviesa de 1.6 m (64 m). Así también se puede apreciar que en muchas rocas que constituyen la traviesa de escollera están depositadas en el foso de erosión. En este tramo el valor máximo de erosión general medido es de 1.80 cm (0.72 m). Si comparamos el lecho original y el lecho después del ensayo de 46.45 l/s (470 m3/s) con el ensayado actual podemos observar que la erosión general ha incrementado muy notablemente.

Resultados Globales

La protección con traviesas de escollera arrojaron muy buenos resultados para el control de la erosión general aguas abajo de la Bocatoma Huachipa, la máxima erosión fue de 3.125 cm (1.25 m). Las traviesas de escollera y la transición de enrocado controlaron la erosión progresiva y regresiva. La evolución de la pendiente del lecho fue lenta (Tabla 1). La pendiente entre los tramos de traviesas fueron variables en los diferentes perfiles longitudinales del lecho fluvial, observando que los perfiles longitudinales de la margen derecha son los más notorios donde siguió ocurriendo erosión y sedimentación.

Tabla 1. Pendiente entre traviesas en la margen derecha del lecho

CaudalPendiente entre los tramos

T1R-T2V T2V-T3C T3C-T4BT4B-Lecho

100 m3/s 0.0159 0.0253 0.0096 0.00846

180 m3/s 0.0246 0.0115 0.00910 0.0137

300 m3/s 0.0178 0.0161 0.0114 0.0154

470 m3/s 0.0323 0.00577 0.0137 0.0400

580 m3/s 0.0208 0.00484 0.0169 0.5900

En el enrocado de transición se detectó movimiento para el caudal de 29.65 l/s (300 m3/s). En 0+850 ocurrió una erosión máxima de 2.5 cm (1 m). Entre el tramo de T1R-T2V se pudo apreciar que la pendiente varía desde 1.59% hasta 3.23% producto del movimiento de la cresta (punto de inflexión) del foso de erosión. Para el tramo de la T2V-T3C la pendiente disminuyó desde 2.53% hasta 0.4%, en este tramo se presentó una erosión promedio de 1.5 cm (0.6 m) para los caudales de 9.88 l/s y 17.79 l/s luego debido a la erosión del foso y el desplazamiento de este ocurrió una sedimentación de 0.775 cm (0.310 m). Para el ensayo de 46.45 l/s (470 m3/s) se registró una erosión de 0.852 cm (0.341 m) (comparación entre el caudal de 46.45l/s y 29.65 l/s) desplazando el material aguas arriba de la T3C generando una sedimentación de 0.63 (0.252 m). En los ensayos de 57.39 l/s (580 m3/s) se generó una erosión de 2.05 cm (0.821 m). En el tramo T3C-T4B la pendiente se incremento desde 0.96% hasta 1.69%. La erosión fue muy lenta para los caudales de 9.88 l/s y 46.45 l/s. En el ensayo de 57.39 l/s ocurrió una erosión de 0.7725 cm (0.309 m). Los números de Froude registrados variaron desde 0.8 hasta 4.2. La T4B presentó un número de Froude promedio de 4.0. En todos los ensayos se observó un régimen supercrítico. En la margen derecha y la margen izquierda (1+020 para delante) los tirantes presentados variaron de 4.25 cm (1.70 m) hasta 8.25 cm (3.30 m) y en la parte central del cauce fue de 1.4 cm (0.56 m). En estos ensayos la longitud del foso de la T1R, presentó variación desde 16.80 cm (6.72 m) para los ensayos de 9.88 l/s y hasta 129.9 cm (51. 98 m).

Figura 18. Evolución del perfil longitudinal desde la progresiva 0+800 – 1+280 en la margen derecha



Para los ensayos de 46.45 l/s después esta longitud fue disminuida a 69.1 cm (27.46 m) con el caudal de 57.39 l/s (580 m3/s) generando una erosión máxima del foso de 2.98 cm (1.192 m). En la T2V la longitud del foso de erosión fue oscilante desde una longitud de 35.6 cm (14.24 m), 19.67 cm (7.87 m), 36.95 cm (14.78 m), 34.07 cm (13.63 m), 19.1 cm (7.64 m) para los cinco caudales ensayados respectivamente, La máxima erosión del foso fue de 3.195 cm (1.278 m). En la T3C la longitud del foso fue de 22.97 cm (9.19 m) luego la longitud se hizo casi nula para el ensayo de 46.45 l/s presentando un foso de erosión muy pequeña de 0.825 cm (0.330 m). Para el ensayo de 57.39 l/s (580m m3/s) la longitud del foso fue de 75.25 cm (30.10 m) y la erosión fue de 2.465 cm (0.986 m). Para la T4B la longitud de foso fue desde 17.875 cm (7.15 m) hasta 77.25 cm (30.90 m) y las erosiones fueron desde 1.397 cm (0.559 m) hasta 5.775 cm (2.31 m). En el enrocado de transición las velocidades variaron (ver Figura 9) para los cinco caudales ensayados. La máxima velocidad fue de 0.591 m/s (3.74 m/s).

Figura 17. Magnitud de velocidades en el enrocado de transición

Las velocidades presentadas en la sección transversal de las traviesas (figura 10) variaron desde 0.063 m/s (0.40 m/s) hasta 0.774 m/s (4.90 m/s) para los diversos ensayos. Las velocidades se concentraron en la margen derecha para los ensayos de 9.88 l/s (100 m3/s) y 17.79 l/s (180 m3/s) mientras que en los tres últimos tres ensayos las velocidades se concentraron tanto en la margen izquierda como en la margen derecha (Figura 9), presentándose las mayores velocidades en la margen derecha del cauce. En la parte central del lecho las velocidades fueron pequeñas, lo que no ocurre durante los

ensayos de 46.45 l/s (470 m3/s) y 57.39 l/s (580 m3/s) en donde se presentaron velocidades en el rango de 0.173 m/s (1.1 m/s) hasta 0.474 m/s (3.0 m/s).

Conclusiones

Con el estudio realizado se demostró que la traviesa puede efectivamente actuar como un punto fijo del perfil del río, controlando las cotas de fondo aguas arriba en su evolución a largo plazo.

Es necesario colocar un enrocado de transición aguas abajo de la poza disipadora del barraje móvil, esto conlleva a que el flujo salga o se disperse por todo el ancho del río sin producir una incisión en el cauce. Estos enrocados deben ser diseñados teniendo en cuenta las altas velocidades y presiones fluctuantes que se generan en flujos macroturbulentos. En los resultados obtenidos en el modelo físico se comprueba que se

obtienen buenos resultados a la escala empleada y que no habría efectos de escala.

Las traviesas de escolleras al ras del lecho tienen un funcionamiento mucho mejor que las de una pequeña corona sobresalida. Esta traviesa (T3C-1+080) no presentó erosión local, ni tampoco se observó un flujo ondulado. Para el ensayo de 57.39 l/s (580 m3/s) recién se formó un pequeño foso de erosión considerable, generando una pequeña erosión local aguas abajo.

Se necesita una batería (conjunto de traviesas de enrocado) para poder controlar la erosión general en su totalidad. La T4B para los ensayos de 46.45 l/s y 57.39 l/s (470 m3/s y 580 m3/s) formo un encañonamiento de ancho pequeño y de profundidad de erosión local alta.

Aguas abajo de la traviesas con una pequeña corona sobresalida se produce un salto. Este descenso o erosión aguas abajo es una amenaza directa para la cimentación de la traviesa que producirían fosas de erosión de considerable magnitud, en profundidad y extensión. La forma de la traviesa si influye en la estabilidad del enrocado además sirve de guía al flujo para que lleve un recorrido del ángulo de incidencia del chorro.

Con la longitud entre traviesa (1+020-1+080, 1+080-1+140) a la mitad del ancho del cauce (60 m, medida en el prototipo) se presentaron pendientes menores comparadas con el tramo (0+930-1+020) donde se le dio la longitud de dos tercios del ancho del cauce (90 m).

Las traviesas no presentaron colapso total a pesar de ser ensayados con un caudal milenario instantáneo. Además de eso los ensayos sin incorporación de sedimentos sirvieron para medir las máximas erosiones tanto locales como generales.

Referencias

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2.- Bateman P., A.; Jiménez P., P.; (2006) “Estudio sobre estabilidad de traviesas y lechos de escollera con transporte de sólidos” Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona, España.

3.-Julien, P. (1995) “Erosión and Sedimentation”. Cambridge University Press, First edition, United States of America.

4.- Laboratorio Nacional de Hidráulica - LNH (2010). “Estudio en Modelo Físico y Matemático de la Bocatoma Huachipa en el rio Rímac – Informe Técnico”, Lima, Perú.

5.- Laboratorio Nacional de Hidráulica - LNH (1997) “Estudio en Modelo Hidráulico en ondo Móvil del Río Rímac – Tramo Puente El Ejército. Informe Técnico” . Lima, Perú.

6.- Lopardo R. A; Casado J. M. (2005). “Estabilidad de enrocados aguas abajo de disipadores a resaltos”. Segundo Simposio de Regional sobre Hidráulica de Ríos, Neuquén, Argentina.

7.- Martín Vide J. P. (2003) “Ingeniería de Ríos”. Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona, España.

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