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DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL TRAMO
DEL CANAL DEL RÍO SAN FRANCISCO ENTRE CARRERA 4 CON CALLE 13
Y LA CARRERA 6 CON LA CALLE 13 DEL EJE AMBIENTAL EN BOGOTÁ
DANIEL ANDRES GARZON PINZON
FABIAN ANDRES CASTAÑEDA BECERRA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
TECNOLOGÍA EN TOPOGRAFÍA
BOGOTÁ–COLOMBIA
2015
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DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL TRAMO
DEL CANAL DEL RÍO SAN FRANCISCO ENTRE CARRERA 4 CON CALLE 13
Y LA CARRERA 6 CON LA CALLE 13 DEL EJE AMBIENTAL EN BOGOTÁ
DANIEL ANDRES GARZON PINZON
FABIAN ANDRES CASTAÑEDA BECERRA
Trabajo de grado
Director
Física Olga Lucia Godoy Morales
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
TECNOLOGÍA EN TOPOGRAFÍA
BOGOTÁ–COLOMBIA
2015
3
NOTA DE ACEPTACION
__________________________________
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__________________________________
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Firma del director
__________________________________
Firma del jurado
__________________________________
Firma del jurado
BOGOTA D.C Día ___ Mes ___ Año
4
Agradecimientos
Este proyecto está dedicado primeramente a Dios porque nos ha dado fortaleza y
sabiduría para continuar este trayecto y nos ha acompañado en los momentos más
difíciles. Se lo dedicamos a toda nuestra familia, por el apoyo que siempre nos han
brindado desde el inicio de nuestra carrera hasta el final, por sus palabras y gran esfuerzo
por velar de nuestro bienestar y educación, sin ellos no hubiéramos podido lograr lo que
hemos conseguido hasta el momento.
Este proyecto fue el resultado del esfuerzo conjunto de nuestros amigos y compañeros
que han estado junto a nosotros durante los últimos años en la universidad. Por los
buenos momentos que compartimos juntos y por su colaboración en todo el proceso.
Agradecemos infinitamente a la Directora de proyecto la docente Olga Lucia Godoy
Morales por su constante atención, paciencia y dedicación prestada y por permitirnos
aprender de su experiencia en esta rama, y al Ingeniero Felipe Santamaría por su
indispensable y siempre oportuna orientación a lo largo del desarrollo y ejecución del
proyecto.
5
Articulo 117
La Universidad Distrital Francisco José de Caldas no será responsable de las ideas
expuestas por el graduado en el trabajo de grado según el acuerdo 029 de 1988.
6
Glosario
ArcGIS: sistema que permite recopilar, organizar, administrar y distribuir información
geográfica como la plataforma líder mundial para crear y utilizar sistemas de información
geográfica.
AutoCAD: software de diseño asistido por computadora para dibujos en 2D y 3D.
Canal: conductos en los que el agua circula debido a la acción de gravedad y sin ninguna
presión, pues la superficie del líquido está en contacto con la atmosfera.
Caudal: producto de la sección pro la que fluye el fluido y la velocidad a la que fluye.
Fluido: sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo
tangencial pro pequeño que sea.
Geodesia: Ciencia que se encarga del estudio del tamaño y la forma de la tierra; incluye
la determinación de las metodologías que permiten realizar una más aproximada
medición del territorio.
Geoide: Es una superficie equipotencial de gravedad de define todos los puntos en los
que la fuerza de gravedad es equivalente a la experimentada en la superficie del océano.
Georreferenciación: técnica geográfica, que consiste en asignar mediante cualquier
medio técnico apropiado, una serie de coordenadas procedentes de una imagen de
referencia conocida, a una imagen digital de destino.
Google earth: es un programa informático que muestra un globo virtual que permite
visualizar múltiple cartografía, con base en la fotografía satelital.
MDT: Modelo digital de terreno.
Pendiente: Es el grado (medida) de inclinación de una recta, la razón de cambio en (y)
con respecto al cambio en (x).
Solera: revestimientos de suelos naturales en los interiores de construcciones,
constituidos por una capa resistente de hormigón en masa.
Topcon tools: es un poderoso software de procesamiento y análisis de que es fácil de
aprender y usar. Es fácilmente personalizable para adaptarse a su flujo de trabajo.
Tubería: Ducto de sección circular para el transporte de agua.
Vertedero: Conducto para dar salida al exceso de agua en depósitos, presas y canales.
7
Resumen
En el siguiente trabajo de grado se realizó un proyecto en el área de topografía en Bogotá
Cundinamarca, enfocado en el ámbito hidráulico, dando especificaciones topográficas de
los diferentes componentes del canal Río San Francisco ubicado en la localidad de la
Candelaria.
Se basó en un análisis hidráulico de una estructura para el mejoramiento de esta, donde se
tomaron datos de campos necesarios para realizar el diagnóstico de la estructura
hidráulica.
La iniciativa del proyecto la planteo la docente Olga Lucia Godoy ya que surge la
hipótesis del mal mantenimiento físico e hidráulico por el que está pasando esta
estructura importante para la ciudad de Bogotá. La cual conduce el flujo de uno de los
principales ríos de la Ciudad.
Primero que todo se realizó el reconocimiento de placas cercanas al canal que facilitaron
el levantamiento topográfico de la zona, se materializó y posicionó una placa cercana y se
obtuvieron resultados de precisión y exactitud en la toma de coordenadas del punto, se
realizó la poligonal con su respectivo cierre y precisión deseada, después se tomó de cada
uno de los deltas la radiación de toda la forma estructural del canal en el tramo
correspondiente, esto permitió realizar la cartografía correspondiente de la zona.
Para hallar la pendiente de cada una de las secciones con una precisión de cota
geométrica se realizó una nivelación, ya teniendo estos datos se procedió a medir el
caudal tomando las distancias de cada sección y la altura de la estructura, lanzando dos
elementos diferentes al canal, teniendo cuenta el tiempo que se demora en desplazarse de
una sección a otra, se tomaron las secciones más grandes del canal.
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Abstract
In the following project grade was carried out a project in the topography’s area in
Bogota Cundinamarca, focused in the hydraulic field, giving topography’s specifications
of the different components of River canal San Francisco located in the locality of
Candelaria.
It is based on a hydraulic analysis of a structure to improve of this, where were taken
field’s data necessary to realize the diagnostic of the hydraulic structure.
The initiative of the project was of the teacher Olga Lucia Godoy as the problem of poor
physical and hydraulic maintenance that is passing this important structure for the city of
Bogotá. This structure drives the flow of one of the main rivers of the City.
First was realized the recognition of nearby plates to the canal that can facilitate the
topographic survey of the area, was materialized and positioned a nearby plate, was
obtained results of precision and accuracy in the point coordinates, the polygon is done
with his respective lock and required accuracy, it is taken after each radiation deltas all
the structural form of the corresponding canal section. This permitted to realize the
corresponding cartography of the zone.
To find the slope of each one of the sections with a precision of geometric altitude was
realized leveling, already having those information was proceeded to measure the flow
taking the distances of each section and the height of the structure, releasing two different
elements to the canal, taking account the time it takes to move from one section to
another, were taken the sections more bigger of the canal.
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Palabras claves
Hidráulica
Caudal
Canal
Flujo Libre
Levantamiento
10
Tabla de Contenidos
Glosario ........................................................................................................................... 6 Resumen .......................................................................................................................... 7 Abstract ........................................................................................................................... 8
Palabras claves ................................................................................................................ 9 1. Introducción .......................................................................................................... 14 2. Objetivos ............................................................................................................... 15
2.1 Objetivo general .................................................................................................. 15 2.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 15
3. Planteamiento del problema .................................................................................. 16 4. Marco referencial .................................................................................................. 17
4.1 Marco geográfico .......................................................................................... 17
4.1.1 Localización área de afectación del proyecto. ................................................. 18 4.1.2 Características Geográficas. ............................................................................. 18 4.1.3 Barrios. ............................................................................................................. 19
4.2 Marco histórico ............................................................................................. 19 4.2.1 La Candelaria Del Siglo XX. ........................................................................... 20
4.2.2 Historia Río San Francisco. ............................................................................ 20 4.3 Marco conceptual .......................................................................................... 21 4.3.1 Canal Abierto. ............................................................................................... 21
4.3.2 Canales Naturales.......................................................................................... 21
4.3.3 Canales Artificiales. ...................................................................................... 21
4.3.4 Geometría de Canal....................................................................................... 21 4.3.5 Elementos Geométricos de una Sección de Canal. ....................................... 23
4.3.6 Profundidad de Flujo..................................................................................... 23 4.3.6.1 Nivel. ......................................................................................................... 23 4.3.6.2 Ancho Superficial. ..................................................................................... 23
4.3.6.3 Área Mojada. ............................................................................................ 23 4.3.6.4 Perímetro Mojado. .................................................................................... 24
4.3.6.5 Radio Hidráulico. ..................................................................................... 24 4.3.6.6 Profundidad Hidráulica. ........................................................................... 24 4.3.7 Formula de Fuerza Tractiva. ......................................................................... 24
4.3.8 Vertederos. .................................................................................................... 25
4.3.11 Orificios. ........................................................................................................ 26 4.3.11.1 Carga de un orificio. ................................................................................... 27 4.3.11.2 Sección. ....................................................................................................... 27
4.3.11.3 Clasificación de los orificios. ..................................................................... 27 4.3.11.3.1 Orificios con desagüe libre. ..................................................................... 27 4.3.11.3.2 Orificios sumergidos. .............................................................................. 28 4.3.11.3.3 Orificios parcialmente sumergidos. ........................................................ 28 4.3.11.3.4 Orificios seguidos de canal. .................................................................... 28 4.3.11.3.5 Orificios sin velocidad inicial. ................................................................ 29 4.3.11.3.6 Orificios con velocidad inicial. ................................................................ 29
11
4.3.12 Sumideros. ..................................................................................................... 29 4.3.12.1 Sumideros con desarenador. ....................................................................... 29 4.3.13 Levantamiento topográfico con estación total. .............................................. 30
4.3.13.1 Aspectos Generales. .................................................................................... 30 4.3.13.2 Determinación del trazado de la poligonal. ............................................... 30 4.3.13.3 Radiación de Detalles. ................................................................................ 31 4.3.14 Posicionamiento GPS................................................................................ 31 4.3.15 Nivelación. ................................................................................................ 32
4.3.15.1 Nivelación Geométrica Compuesta. ..................................................... 32 4.3.16 Método de determinación del caudal. ....................................................... 33
4.4 Marco práctico .............................................................................................. 33 4.4.1 Recopilación de Información. ....................................................................... 33 4.4.2 Reconocimiento de la Estructura Hidráulica. ............................................... 34 4.4.3 Localización de la Placa................................................................................ 34
4.4.4 Posicionamiento GPS.................................................................................... 36 4.4.5 Levantamiento Topográfico. ......................................................................... 36
4.4.6 Nivelación. .................................................................................................... 37 4.4.7 Medición de las Secciones del Canal. ........................................................... 38 4.4.8 Medición de Área de Flujo. .......................................................................... 38
4.4.9 Cálculo del Caudal. ....................................................................................... 38 4.4.10 Procedimiento – Diagrama de Flujo. ........................................................ 39
4.4.11 Diagrama de Flujo..................................................................................... 41
5. Resultados ................................................................................................................. 43
5.1 Procesamiento de la información .................................................................. 43 5.1.1 Shapes de la Zona. ........................................................................................ 43
5.2 Reconocimiento de toda la estructura hidráulica .......................................... 47 5.3 Post – proceso GPS ....................................................................................... 51 5.3.1 Creación y configuración del proyecto. ........................................................ 51
5.3.2 Importación de archivos crudos. ................................................................... 55 5.4 Descripción Secciones del Canal .................................................................. 60
5.5 Cálculo del Caudal ........................................................................................ 61 5.6 Análisis y diagnóstico hidráulico .................................................................. 63
5.7 Alternativa de mejoramiento del canal (Auto limpieza) ............................... 67 6. Conclusión ............................................................................................................ 68 7. Recomendaciones ................................................................................................. 69
8. Referencias ............................................................................................................ 70 Anexos .......................................................................................................................... 71
12
Lista de tablas
Tabla 1 Relación Geométrica Secciones Transversales Comunes ............................. 22
Tabla 2 Representación Tipo de Sección ................................................................... 60
Tabla 3 Datos de entrada para el cálculo del caudal .................................................. 61
Tabla 4 Determinación del caudal .............................................................................. 62
Tabla 5 Tramos y distancias del canal ........................................................................ 63
Tabla 6 Dimensiones del canal ................................................................................... 64
Tabla 7 Cálculo de fuerza tractiva .............................................................................. 65
13
Lista de ilustraciones
Ilustración 1. Localización ......................................................................................... 17
Ilustración 2. Localización área de estudio ................................................................ 18
Ilustración 3. Barrios la Candelaria ............................................................................ 19
Ilustración 4. Vertedero rectangular de cresta delgada .............................................. 25
Ilustración 5. Vertedero con contracciones laterales y vertedero triangular .............. 26
Ilustración 6. Notación para el problema del orificio ................................................. 27
Ilustración 7. Orificios con desagüe libre y orificios sumergidos .............................. 28
Ilustración 8. Orificios parcialmente sumergidos y orificios seguidos de canal ........ 28
Ilustración 9. Punto de consulta ................................................................................. 35
Ilustración 10. Certificación de placa IGAC CT-1436............................................... 35
Ilustración 11. Superficie de agua .............................................................................. 43
Ilustración 12. Calzada ............................................................................................... 44
Ilustración 13. Manzana y sentido vial ....................................................................... 45
Ilustración 14. Curvas de nivel ................................................................................... 46
Ilustración 15. Secciones canal 1 ............................................................................... 47
Ilustración 16. Secciones canal 2 ............................................................................... 47
Ilustración 17. Secciones canal 3 ............................................................................... 48
Ilustración 18. Secciones canal 4 ............................................................................... 48
Ilustración 19. Secciones canal 5 ............................................................................... 49
Ilustración 20. Secciones canal 6 ............................................................................... 49
Ilustración 21. Secciones canal 7 ............................................................................... 50
Ilustración 22. Post proceso- Topcon tools- demo Mode ........................................... 51
Ilustración 23. Post proceso- New job........................................................................ 52
Ilustración 24. Post proceso- Configuración de Precisión ......................................... 52
Ilustración 25. Post proceso- Configuración de Time ................................................ 53
Ilustración 26. Post proceso- Configuración Sistema de Coordenadas ...................... 53
Ilustración 27. Post proceso- Parámetros de Tiempo y Elevación ............................. 54
Ilustración 28. Post proceso- Configuración Quality Control .................................... 54
Ilustración 29. Post proceso- Configuración Quality Control .................................... 55
Ilustración 30. Post proceso- Importar Archivos Crudos ........................................... 55
Ilustración 31. Post proceso- Configuración Estaciones Permanentes ....................... 56
Ilustración 32. Post proceso- Configuración GPS-1 .................................................. 56
Ilustración 33. Post proceso- Map View .................................................................... 57
Ilustración 34. Post proceso- GPS-1 +Post Processing .............................................. 57
Ilustración 35. Post proceso- Modelo CAD View ...................................................... 58
Ilustración 36. Post proceso- Ocupation View ........................................................... 58
Ilustración 37. Post proceso- Ajuste ........................................................................... 59
Ilustración 38. Post proceso- Puntos Ajustados ......................................................... 59
Ilustración 39. Diagrama del caudal de Francis ......................................................... 64
14
1. Introducción
El presente trabajo buscó recolectar la suficiente información para el análisis hidráulico
del río San Francisco. El tramo que está ubicado entre la carrera 4 con calle 13 y carrera
6 con calle 13 (Eje Ambiental). Destacando principalmente todo lo correspondiente a las
características físicas, y el comportamiento hidráulico de este.
Es importante tener en cuenta los fundamentos teóricos correspondientes a los cálculos
hidráulicos requeridos para realizar el análisis. Además este trabajo se apoyó en aspectos
topográficos pertinentes, que facilitó la ubicación y obtención de datos para el correcto
análisis y reporte final que sirve para el mejoramiento del canal frente a diversos
problemas que tiene y pueda llegar a tener.
15
2. Objetivos
2.1 Objetivo general
Determinar el comportamiento hidráulico del Eje Ambiental (Canal del río
San Francisco) entre la carrera 4 con calle 13 y carrera 6 con calle 13
(Avenida Jiménez)
2.2 Objetivos específicos
Analizar el comportamiento del flujo cuando pasa por cada una de las
secciones del canal para mejorar el manejo hidráulico cumpliendo las
necesidades del sistema.
Establecer los causales de irregularidades a través de toda la estructura.
Generar recomendaciones para la adecuación y mejoramiento del Eje
Ambiental.
16
3. Planteamiento del problema
El río San Francisco nace en el páramo de cruz verde y baja desde el cerro de Monserrate
al llegar a la ciudad es canalizado en lo que conocemos como Eje Ambiental. El canal fue
estudiado entre las KR 4 y KR 6. Con el estudio se buscó realizar recomendaciones
sobre los manejos más prudentes para evitar colapsos en el manejo del fluido en tiempos
lluviosos. Se realizó un estudio hidráulico que comprende datos como: caudal, el drenaje
que maneja, la velocidad, las características del canal entre otras.
Además el canal tiene varios problemas en la parte de saneamiento y limpieza de sus
secciones; eso trae como consecuencia que el canal sea vaciado cada vez que se va a
realizar la limpieza correspondiente, generando costos adicionales al Distrito. Siendo el
centro de Bogotá un sitio de interés turístico por ser una zona cultural debería estar en la
mejor condición y funcionar óptimamente.
17
4. Marco referencial
4.1 Marco geográfico
El proyecto titulado determinar el comportamiento hidráulico del eje ambiental se realizó
en la ciudad de Bogotá en la localidad de la Candelaria, a continuación una reseña sobre
esta importante zona de la ciudad.
La Candelaria está ubicada en el centro de la ciudad y limita, al norte, con la localidad de
Los Mártires; al sur, con la localidad de San Cristóbal; al oriente, con la localidad de
Santa Fe y al occidente, con las localidades de Los Mártires y Antonio Nariño.
(Secretaria Distrital de Planeación, 2009, p. 13)
La ilustración 1 muestra la localización de la Candelaria dentro del Distrito Capital.
Ilustración 1: Localización
Fuente: SDO Decreto 190 del 2004, Bogotá D.C.
18
4.1.1 Localización área de afectación del proyecto.
Como se menciona en el título la afectación del proyecto en mención va desde la Carrera
4 y Calle 13 y la Carrera 6 y Calle 13 del Eje Ambiente en Bogotá el área de estudio se
relaciona en la ilustración 2.
Ilustración 2: Localización Área de Estudio
Fuente: Google Earth
4.1.2 Características Geográficas.
La localidad de La Candelaria muestra una topografía desnivelada puesto que su
ubicación está ligada a los cerros orientales.
Tiene una temperatura media anual de 14°C. Corresponden a la localidad un tramo del río
San Francisco o Vicachá y un tramo del río San Agustín. El primero nace en el páramo de
Choachí y es surtido por las Quebradas San Bruno y Guadalupe y el segundo en los
Cerros de Guadalupe y la Peña.
En su parte baja el río San Francisco se une al San Cristóbal para formar el río Fucha. En
la actualidad, estos ríos hacen parte del sistema principal de drenaje del sector centro-sur
de la ciudad denominado específicamente el Sistema Fucha. (Secretaria Distrital de
Planeación, 2009, p. 15)
19
4.1.3 Barrios.
Esta localidad está conformada por nueva barrios, los cuales son: Belén, Centro
Administrativo, Egipto, Las Aguas, La Catedral, La Concordia y Santa Bárbara. Ver
ilustración 3.
Ilustración 3: Barrios la Candelaria
Fuente: Observatorio de Convivencia y Seguridad Ciudadana SUIVD de la Secretaría de
Gobierno. Diagnóstico sobre la situación de seguridad integral en la localidad de La
Candelaria. 2007.
4.2 Marco histórico
La localidad de La Candelaria es una de las partes más importantes de la ciudad ya que
está ligada a gran parte de los procesos históricos y fundación de la capital y del país.
En esta localidad se fundó la ciudad y se gestó la independencia del país. En
1963, el Centro Histórico de Bogotá, inmerso en la localidad, fue reconocido
como monumento nacional. Sus casas, edificios, iglesias y calles, dan cuenta de
este reconocimiento. También la localidad alberga el centro político y
administrativo del país y de la ciudad; la Alcaldía, el Congreso, el Palacio de
Nariño, el Palacio de San Carlos y la Catedral Primada, entre otras edificaciones
cede de poder político administrativo de Colombia y Bogotá, configuran junto al
20
resto de construcciones la importancia histórica de la Candelaria. (Secretaria de
Cultura Recreación y Deporte, 2007, p. 24)
4.2.1 La Candelaria Del Siglo XX.
Su nombre viene del sector que estaba próximo al convento que lleva su nombre sin
embargo mediante la ley 59 de 1963 se hace nombramiento como centro histórico del
país. Se conforma como alcaldía menor con la nomenclatura correspondiente al número
17 a través del acuerdo 8 de 1977.
Fue hacia 1960 cuando se empezó a hablar de La Candelaria con cierto interés por su
valor histórico. Tres años después, con la Ley 59, se declaró el centro de Bogotá como
monumento nacional. Se utilizó el nombre de La Candelaria tomado de la Iglesia de La
Candelaria, como sinónimo del Centro Histórico y se inició un proceso de revaloración,
por parte de personas interesadas en habitarlo. (Secretaría Distrital de planeación, 2009,
p. 10-11)
4.2.2 Historia Río San Francisco.
Originalmente era conocido por los pueblos indígenas que habitaban la sabana de Bogotá
como río Vicachá que significa "El resplandor de la noche". Era el río más caudaloso de
la región y durante sus primeros siglos, abasteció de agua a toda la ciudad, sirviendo su
curso como límite sur a la parroquia de Las Nieves.
Con el establecimiento de la comunidad religiosa franciscana en 1550 y la construcción
de la iglesia de San Francisco en la ribera norte, el río Vicachá adoptaría el nombre de
San Francisco.
Durante la década de 1930 el río fue canalizado y en su lugar se estableció la Avenida
Jiménez. Entre 1999 y 2001 se construyó el Eje Ambiental recuperando un fragmento de
su trazado original.
El fundador de Bogotá, don Gonzalo Jiménez de Quesada, le puso el nombre de San
Francisco al río que establecía una línea divisoria entre el sur y el norte de la nueva
ciudad, a la que se bautizó Santa Fe de Bogotá. En poco tiempo, en efecto, el crecimiento
urbano alcanzó la orilla sur del río y pasó al otro lado, por lo cual las tablas improvisadas
que inicialmente facilitaron el tránsito fueron sustituidas en 1663 por un sólido puente,
21
hecho con todas las especificaciones de la ingeniería, al que se denominó Puente de San
Francisco. (Nullvalue, 17 de febrero 2001)
4.3 Marco conceptual
4.3.1 Canal Abierto.
“Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre de
acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial” (Chow, 1994, p.19).
4.3.2 Canales Naturales.
Los canales naturales incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en
la Tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyos en zonas montañosas,
hasta quebradas, arroyos ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas.
4.3.3 Canales Artificiales.
“Son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de
navegación, canales centrales de hidroeléctricas, entre otros. Las condiciones hidráulicas
de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir
unos requisitos determinados” (Chow, 1994, p.19).
4.3.4 Geometría de Canal.
“Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo
constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático.
Un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. A menos que se
indique específicamente” (Chow, 1994, p.20).
Los canales artificiales a menudo se diseñan con secciones de figuras geométricas
regulares.
22
La tabla 1 relaciona 5 formas geométricas utilizadas comúnmente.
Tabla 1. Relación Geométrica Secciones Transversales Comunes
Fuente: Recuperado de http://facingyconst.blogspot.com.co/
23
4.3.5 Elementos Geométricos de una Sección de Canal.
“Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser
definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo” (Chow,
1994, p.22). A continuación unas definiciones de varios elementos geométricos básicos.
4.3.6 Profundidad de Flujo.
El área hidráulica está compuesta por la cantidad expresada en 𝑚2 ocupada por el agua
donde: La profundidad de flujo, y, es la distancia vertical desde el punto más bajo de la sección
del canal hasta la superficie libre. A menudo este término se intercambia con la
profundidad de flujo, d. En efecto, la profundidad de flujo de la sección es la profundidad
de flujo perpendicular a la dirección de éste, o la altura de la sección del canal que
contiene el agua. Para un canal con un ángulo de pendiente longitudinal θ, puede verse
que la profundidad de flujo es igual a la profundidad de sección de flujo dividida por cos
θ. En el caso de canales empinados, por consiguiente, los dos términos deben utilizarse de
manera discriminada. (Chow, 1994, p.22-23)
4.3.6.1 Nivel.
El nivel es la elevación o distancia vertical desde un nivel de referencia o datum hasta la
superficie libre. Si el punto más bajo de la sección se escoge como él nivel de referencia,
el nivel es idéntico a la profundidad de flujo.
4.3.6.2 Ancho Superficial.
Rodríguez (2008) afirma: “Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la
superficie libre del agua” (p. 5).
4.3.6.3 Área Mojada.
El área mojada A es el área de la sección transversal del flujo perpendicular a la dirección
del flujo
24
4.3.6.4 Perímetro Mojado.
El perímetro mojado P es la longitud de la línea de intersección de la superficie de canal
mojada y de un plano transversal perpendicular a la dirección del flujo.
4.3.6.5 Radio Hidráulico.
El radio hidráulico R es la relación entre el área mojado con respecto a su perímetro
mojado, o:
𝑅 = 𝐴
𝑃
4.3.6.6 Profundidad Hidráulica.
La profundidad hidráulica es la relación entre el área mojada y el ancho en la superficie,
o:
𝐷 = 𝐴
𝑇
4.3.7 Formula de Fuerza Tractiva.
Este método se basa en el empuje que obtiene el agua sobre el perímetro mojado, el cual
debe ser menor al valor permisible que tiene la fuerza tractiva. La función principal es el
arrastre de los componentes del flujo hidráulico de la fuerza tractiva, y para el cálculo de
fuerza tractiva permisible se enfoca en determinar las propiedades de los materiales del
suelo que constituyen el canal. La ecuación es la siguiente:
Τ= 𝐷𝑅𝑆
Donde T se mide en Newton, 𝐷 es la densidad del agua, teniendo en cuenta la
aceleración de la gravedad que es 9.8 el cual se multiplica por el peso específico del agua,
esto equivale a 9800, 𝑅 es el radio hidráulico del canal, y 𝑆 la pendiente correspondiente
a cada tramo del canal.
25
4.3.8 Vertederos.
Se puede definir como una presa en el cual debe pasar el líquido. Después de haber
tomado ciertas medidas del flujo cerca del vertedero nos permite calcular el caudal q por
medio de la ecuación de Bernoulli y otros datos empíricos. Normalmente el vertedero es
una placa delgada, con un borde redondo o agudo. Este se conoce como vertedero
rectangular de cresta delgada. La altura h del flujo aguas arriba del vertedero por encima
del borde se conoce como altura, que es una medida fundamental para analizar el caudal.
La lámina del fluido se denomina napa. Se considera que la presión en la napa es cercana
a al atmosférica para la mayoría de cálculos (Shames, 1995).
La superficie superior del vertedero sobre la cual el líquido fluye se conoce como cresta
del vertedero, la cresta tiene una longitud Lw que se extiende a todo el ancho Lc del
canal. Si la cresta es más corta que el ancho del canal, se tiene un vertedero “con
contracción”. La cresta del vertedero puede tener formas diferentes a la de borde recto o
rectangular. El vertedero en V o triangular puede utilizarse para caudales pequeños. Otros
vertederos especiales incluyen los vertederos hiperbólicos y parabólicos. Estos tienen un
objetivo y es mantener un coeficiente de descarga constante o mantener una altura h
directamente proporcional al caudal q. (Shames, 1995, p.793-794)
La ilustración 4 relaciona un vertedero rectangular de cresta delgada con su respectiva
sección transversal. Y en la ilustración 5 la sección de un vertedero con contracciones
laterales y sección de vertedero triangular.
Ilustración 4: Vertedero rectangular de cresta delgada
Fuente: Shames, 1995, p.793
26
Ilustración 5: Vertedero con contracciones laterales de la sección transversal de la napa
y vertedero triangular
Fuente: Shames, 1995, p.794
Ahora se considera en detalle el vertedero rectangular contraído. En este se encuentra una
contracción de la napa a medida que pasa sobre el vertedero. Este es un resultado de la
velocidad radial necesaria del líquido para pasar por los bordes agudos de la cresta del
vertedero y por los lados de este. La tensión superficial también contribuye a este efecto.
(Shames, 1995, p. 794)
4.3.11 Orificios.
La pequeña abertura en la parte inferior o en la altura mínima de la sección se define
como Orificio, que por medio de este el agua puede recorrer a través de él. Su perímetro
es mojado y se puede utilizar para medir el caudal de salida desde un embalse o una
tubería (Khouri, 2004).
27
La ilustración 6 muestra la notación aplicada al problema del orificio.
Ilustración 6: Notación para el problema del orificio
Fuente: www.fagro.edu.uy/
4.3.11.1 Carga de un orificio.
“Es la altura de presión existente cerca del orificio, en la parte interna del depósito. Suele
presentarse por h” (Khouri, 2004, p.59).
4.3.11.2 Sección.
“Es el área de la sección transversal del orificio” (Khouri, 2004, p.59).
4.3.11.3 Clasificación de los orificios.
4.3.11.3.1 Orificios con desagüe libre.
“Son aquellos que desaguan al aire libre, por lo que alrededor de la vena liquida existe la
presión atmosférica (a)” (Khouri, 2004, p.59).
28
4.3.11.3.2 Orificios sumergidos.
“Son aquellos que desaguan bajo el nivel estático de un depósito (b)” (Khouri, 2004,
p.59). Como se muestra en la ilustración 7 aquellos orificios con desagüe y sumergidos.
Ilustración 7: Orificios con desagüe libre y Orificios sumergidos
Fuente: Khouri, 2004, p. 59
4.3.11.3.3 Orificios parcialmente sumergidos.
“Son aquellos en los que el nivel estático de aguas abajo, cubre parte del orificio (c)”
(Khouri, 2004, p.59).
4.3.11.3.4 Orificios seguidos de canal.
“Son aquellos cuyo desagüe no es totalmente libre, por estar seguidos de un canal en
funcionamiento (d)” (Khouri, 2004, p.59). En la ilustración 8 muestra la relación en los
orificios parcialmente sumergidos y los seguidos de canal
Ilustración 8: Orificios parcialmente sumergidos y orificios seguidos de canal
Fuente: Khouri, 2004, p. 60
29
4.3.11.3.5 Orificios sin velocidad inicial.
“Cuando el deposito o embalse donde se halla el orificio, seas suficiente grande, la
velocidad de circulación del agua en dicho deposito o embalse hacia el orificio, será muy
pequeña, y por tanto despreciable” (Khouri, 2004, p.60).
4.3.11.3.6 Orificios con velocidad inicial.
“Cuando las dimensiones del depósito, canal o embalse donde se halla el orificio, son
relativamente pequeñas, el agua circula por el canal o deposito hacia el orificio, con una
velocidad digna para considerarse” (Khouri, 2004, p.60).
4.3.12 Sumideros.
Es una estructura que tiene como objetivo reunir la escorrentía de las calles e incluirla a
la tubería de alcantarillado. Están ubicadas a los lados de la calle o esquina de cada una
de las manzanas. También se tiene en cuenta que la ubicación debe estar en los puntos
bajos de la red vial, antes de los puentes vehiculares, y reducciones de pendientes.
4.3.12.1 Sumideros con desarenador.
Se hace uso de este tipo de sumidero cuando se espera que haya tracción de gravas o
escombros por la falta de arrastre del sistema.
Si la velocidad en la tubería de conexión al pozo es menor de 0.6m/s n, se debe colocar
también desarenador. El desarenador puede localizarse en un sumidero de ventana cuneta
o de calzada.
Los sumideros con desarenador o con sello hidráulico necesitan un mantenimiento
intensivo con el fin de evitar la descomposición del material depositado dentro de la caja,
problema que es aún más crítico en clima templado o caliente. Este mantenimiento
consiste en una limpieza periódica y la adición de aceite quemado. (López, 1995, p. 460-
462)
30
4.3.13 Levantamiento topográfico con estación total.
Un levantamiento topográfico se utiliza para conocer el comportamiento, las
características y la posición del terreno sobre la superficie de la tierra, y los elementos
que se puedan encontrar en la zona que se va a estudiar.
En el levantamiento topográfico se tiene en cuenta el referenciar la cantidad suficiente de
datos para el posterior planteamiento gráfico y tener mayor facilidad a la hora de elaborar
la cartografía del área.
4.3.13.1 Aspectos Generales.
El objetivo primordial de los levantamientos topográficos es la determinación y
obtención de coordenadas planas o de puntos en el espacio para representarlos en una
superficie plana, ya sea a través de un plano o un mapa, ya sea en 2d o 3d.
Cada puntos en el plano se define por coordenadas ya sean polares (ángulos y distancias)
o cartesianas: distancias perpendiculares a ejes cartesianos (X y, N y E).
Estos instrumentos topográficos facilitan la medición de ángulos y distancias para poder
calcular las coordenadas de los puntos en el espacio que se desean representar.
La estación total facilita el trabajo de la toma de puntos ya que esta cuenta con una
memoria interna en cual se archivan datos de variables como: ángulos horizontales y
verticales, distancias horizontales e inclinadas, diferencias de nivel, coordenadas X, Y y
Z e incluso códigos de detalles para un trazado más sencillo y una mejor metodología de
organización para comprender y manejar los datos tomados en campo.
4.3.13.2 Determinación del trazado de la poligonal.
Una poligonal es una secuencia de líneas que tienen como propiedades una dirección y
distancia que han sido determinadas según los datos tomados en la zona del estudio. Se
encuentran dos importantes maneras de planear y realizar una poligonal:
Poligonal cerrada: En este tipo de poligonal el trazado se comprende como una
figura geométrica donde el punto inicial y final se conectan entre sí. Se puede
deducir que si las coordenadas de arranque son las mismas coordenadas de las de
31
llegada la poligonal fue bien realizada y calculada. Sin embargo, hay que tener en
cuenta que toda poligonal cerrada tiene controles angulares y lineales los posibles
errores en estas medidas se pueden compensarse o corregirse.
Poligonal abierta: Una poligonal abierta puede utilizarse cuando el levantamiento
va marcando un camino en su trazado por ejemplo, el trazado de una línea de
tubería o de una vía ya sea el caso. Conociendo las coordenadas del primer vértice
y el azimut de la primera línea, se pueden obtener las coordenadas de los puntos
sucesivos.
4.3.13.3 Radiación de Detalles.
Después de tener el trazado de la poligonal, en cada estación o punto de control se facilita
la obtención de la información necesaria para detallar la zona a levantar, porque cada
uno de los puntos a estacionar contiene un Angulo y distancia conocidos, o las
coordenadas previamente configuradas. A partir de esta información, la estación total
direcciona el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario tomando la mayor
cantidad de información posible en cada estación por medio de ángulos y distancias. En
este caso también se puede configurar para que cada dato guardado se clasifique por
código, es decir, arboles, borde vía, postes, etc. Con su respectiva coordenada y
elevación.
4.3.14 Posicionamiento GPS.
Es el procedimiento empleado para dar coordenadas geográficas a las placas cercanas en
el sector, la placa materializada con nombre GPS1 (ver anexo 2) y la verificación de los
datos en la placa del IGAC con nombre CT-1436. Ver anexo 1. Se ubicó en cada una de
ellas una antena de GPS como base para la toma de coordenadas planas cartesianas. Para
el óptimo resultado de este proceso de deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
El tipo y caracterización de posicionamiento a Realizar.
Objetivo del posicionamiento.
Localización de los puntos que componen el posicionamiento.
32
Reconocimiento de la zona a localizar (condiciones del terreno, fuentes de
información geodésica, redes geodésicas existentes, puntos IGAC).
Materialización de los puntos localizados. (GPS1)
Además de lo anterior se debe tener en cuenta la disponibilidad de los satélites y
constelaciones a la hora de realizar el posicionamiento para una mejor captura de datos.
También se analiza la distancia a la cual se encuentran los puntos a posicionar con la
estación GPS más cercana para determinar el tiempo de duración del posicionamiento.
4.3.15 Nivelación.
La nivelación es la parte altimétrica donde se representa la altura del terreno con
referencia en el mar, el cual muestra las características de los diferentes niveles o el
relieve de la zona estudiada. Se puede representar por medio de perfiles, planos con
curvas de nivel, etc.
4.3.15.1 Nivelación Geométrica Compuesta.
Este método se usa para nivelar por medio de un nivel de precisión y una regleta a los
puntos que generalmente están separados a grandes distancias, teniendo en cuenta el
método de nivelación simple donde se tienen dos puntos de control arrancando de una
cota o un nivel conocido, en la nivelación compuesta se realizan tantas nivelaciones
simples que sean necesarias para llegar al punto deseado, dando varios puntos de control
o cambios con cota conocida durante toda la línea de la nivelación.
33
4.3.16 Método de determinación del caudal.
En este proyecto se utilizó la ecuación de Francis, en la cual se mide la (h) altura
de la Napa con respecto al vertedero en cada una de las secciones del canal. La
ecuación es la siguiente:
𝑄 (𝑚3
𝑠) = 1.84 ∗ (𝑏 − (0.1 ∗ 𝑛 ∗ ℎ)) ∗ ℎ
23
Q = Caudal del canal expresado en 𝑚3/s
1.84 = Constante de la ecuación
b = Ancho de Solera
n = Número de contracciones
h = Altura de la Napa
Para corrientes menores se utiliza en L/s aunque en este caso se usó en 𝑚3/s.
4.4 Marco práctico
4.4.1 Recopilación de Información.
Se recopila información necesaria para la ejecución del proyecto por medio
de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAB) la cual
proporciona archivos en formato shape (.shp) de los sistemas de acueducto,
alcantarillado sanitario y pluvial.
Se delimita la zona de estudio, en este caso estructura y eje del canal.
Reunir información sobre los aspectos geográficos de Bogotá, en este caso
extraída de la página www.ideca.gov.co, se guarda los datos referentes a la
malla vial, las construcciones aledañas a la zona, las curvas de nivel y otros
ítems que complementan la información cartográfica.
34
4.4.2 Reconocimiento de la Estructura Hidráulica.
Realizar un recorrido de la zona de estudio para delimitar y establecer las
restricciones del levantamiento.
Analizar el estado físico de cada una de las estructuras, sustentándolo con
registro fotográfico.
4.4.3 Localización de la Placa.
Identificar las placas cercanas y existentes que tengan la información
necesaria para realizar el levantamiento topográfico por medio de los puntos
de consulta encontrados en La página del IGAC. Ver ilustración 9. Ver
anexo 12.
Descargar en la página www.igac.gov.co/igac el certificado de la placa
encontrada. Se encontró en la zona de estudio la placa CT-1436 para el
levantamiento topográfico mostrado en la ilustración 10. Ver anexo 13.
35
Ilustración 9: Punto de Consulta
Fuente: IGAC, Certificación de Placas
Ilustración 10: Certificación de CT–1436
Fuente: IGAC, Certificación de Placas
36
4.4.4 Posicionamiento GPS.
Para realizar un posicionamiento con GPS y su respectiva toma de datos se debe:
Realizar por medio de un recorrido de la zona el diagrama de obstáculos y
recopilar las características respectivas de las placas encontradas.
Recurrir al programa Ocupation Planning (diferente para cada marca) y
plantear una metodología del día y la hora aptos para obtener datos
consistentes referentes ha: mascara de elevación e intervalo de grabación.
Configurar el GPS en Estático, con los intervalos de mascara de elevación y
los intervalos de grabación. Se puede utilizar el software PC-CDU.
Por medio de un GPS TOPCON HIPER + se arma en la placa registrada por
el IGAC y se realiza el posicionamiento de acuerdo a lo planteado en el
Ocupation Planning. Se posiciona 1 hora en este caso.
Realizar registro fotográfico del posicionamiento (Ver anexo 3), llenar los
formatos donde se tiene en cuenta la altura del equipo y perfil entre otros.
Se descargan los archivos en formato RINEX del posicionamiento por medio
del software PC.CDU para realizar el post-proceso.
4.4.5 Levantamiento Topográfico.
Para realizar un levantamiento topográfico y la toma de datos se debe:
Elegir el equipo adecuado para el levantamiento topográfico.
Ubicar los Deltas (vértices de la poligonal). Ver anexo 5.
Configurar el equipo de acuerdo a los ítems establecidos para una mayor
precisión.
Crear una carpeta con el nombre del proyecto donde se almacenaran los
datos tomados en campo.
Preparar y nivelar el equipo en la placa materializada, denominada GPS1.
37
Realizar el amarre entre las placas GPS 1 Y CT-1435 (brazo de amarre). Se
debe tener la información y coordenadas correspondientes a cada uno de los
puntos.
Realizar la medición de ángulos directos e inversos con su respectiva
distancia entre puntos de armado utilizando el método de ceros atrás.
Describir en una cartera las diferentes medidas tomadas para procesar la
información de manera adecuada.
Descargar los archivos almacenados en la estación (crudos) para el
procesamiento de la información y obtener los resultados del levantamiento
topográfico. Ver anexos 6 y 7.
4.4.6 Nivelación.
Seleccionar el equipo adecuado para realizar la nivelación.
Realizar una nivelación compuesta (Varias armadas consecutivas).
Realizar el amarre de la nivelación arrancando de una placa de cota conocida
en este caso CT-1435. Ver anexo 8.
Ubicar el equipo en distancia equidistante en medio de dos puntos, tomando
dos lecturas, la lectura atrás (v+) y la lectura adelante (v-).
Se realizan vistas intermedias desde cada armada si es necesario tomar
detalles de la zona.
Con la v+ se calcula la altura instrumental del equipo partiendo de una placa
o punto de cota (altura) conocida. En este caso la placa CT-1435.
Con la v- calculamos la cota del punto adelante a partir de la altura
instrumental obtenida con la v+ leída anteriormente.
Realizar la lectura atrás al punto que por orden se lleve para hacer una
compensación optima de la nivelación.
Hacer una cartera para recopilar las lecturas tomadas. Ver anexos 9 y 10.
38
4.4.7 Medición de las Secciones del Canal.
Realizar por medio de un flexómetro las medidas correspondientes a la
estructura. Esto nos dará mayor precisión.
Medir el ancho total y el largo de cada una de las secciones.
Medir la profundidad de la estructura en cada una de las secciones.
Medir la altura de la lámina de agua hasta la parte inferior de cada una de las
secciones.
4.4.8 Medición de Área de Flujo.
Con las secciones definidas por las diferentes especificaciones que se deben tener en
cuenta, el lugar elegido debió cumplir los siguientes requisitos:
La sección transversal debe estar bien definida
Debe tener fácil acceso.
Para evitar las sobreelevaciones, cambios en la longitud y profundidad las
medidas deben ser tomadas en un sitio recto.
El sitio debe estar libre de efectos de controles aguas abajo, que puedan
producir remansos que afecten luego los valores obtenidos con la curva de
calibración.
Por medio de la información recolectada en campo se realizó la medición del área de
cada una de las secciones transversales.
4.4.9 Cálculo del Caudal.
El caudal se calcula de la siguiente manera:
Aplicando la ecuación de Francis.
Realizar todos los cálculos hidráulicos requeridos con el caudal obtenido.
39
4.4.10 Procedimiento – Diagrama de Flujo.
Se obtuvo una metodología planteada para la realización del proyecto, se dividió en
diferentes fases y pautas para su mejor entendimiento y exposición en campo.
Fase 1: Reconocimiento general
o Fase 1.1: Recorrido general de la totalidad del tramo a trabajar. Se
identificó puntos visibles para la materialización de la poligonal teniendo
en cuenta que estos puntos debían tener coordenadas de arranque y hayan
sido materializadas por el IGAC, Sino hubiera sido posible se trasladarían
coordenadas de las placas existentes dentro de la Universidad Distrital
Francisco José De Caldas.
o Fase 1.2: Fijar esquema de elaboración. A partir del reconocimiento en
campo se dan ciertas facilidades para la toma de datos.
Fase 2: Planificación del trabajo de campo. Se definió el grupo de trabajo, y los
equipos correspondientes que se deben usar para hacer el levantamiento y la
nivelación del proyecto.
Fase 3: Trabajo de campo. Se analizó los imprevistos que pueden llegar a ocurrir
durante la realización de la toma de datos en campo. Y se procede a hacer el
levantamiento y nivelación. Se guardó la información.
Fase 4. Procesamiento de cada uno de los datos. Organización de los datos
tomados en campo, para su procesamiento y obtención de resultados.
o Fase 4.1: Coordenadas y cotas. Después de localizar y hacer el arrastre de
coordenadas, con la nivelación se dio cota geométrica a la placa
materializada (GPS1). Ver anexo 2.
o Fase 4.2: Recopilación. Se organizó y clasificó de la información tomada
de la poligonal y la nivelación.
o Fase 4.3: Cálculos: Después de tener organizado y clasificado se procedió
a realizar el cierre de la poligonal (Ver anexo 4), y de la nivelación.
Fase 5: Elaboración cartográfica. Descarga de datos del equipo TOPCON usado y
el paso de carteras de la nivelación, y teniendo claro los conceptos del buen uso
40
del programa AutoCAD se procedió a realizar los planos topográficos
correspondientes a la zona, para analizar los niveles y el comportamiento por
medio de un plano planta perfil con sus secciones transversales. Ver anexos 11 y
15.
Fase 6: Caracterización hidráulica del Río San Francisco. Teniendo la
información cartográfica, se hizo el análisis de las secciones y los componentes
hidráulicos de cada una de ellas.
o Fase 6.1: Reconocimiento de cada una de las secciones y medidas.
Medición de áreas y alturas de cada una de ellas, cálculo del caudal,
medición de flujo entre el área y la velocidad.
Fase 7: Análisis de resultados. Se verificó la información realizada y se hizo el
estudio para buscar soluciones o parámetros para la problemática planteada.
o Fase 7.1: Identificación de los componentes. Características de la
estructura del Río San Francisco y problemáticas futuras al mal manejo y
cuidado de este canal.
Fase 8: Elaboración documental. Recopilación de toda la información y datos
adquiridos a lo largo del trabajo teniendo en cuenta las normas y bases dadas para
la presentación final. Luego se procedió a la redacción del tomo final con todos
los anexos obtenidos.
41
4.4.11 Diagrama de Flujo.
42
43
5. Resultados
5.1 Procesamiento de la información
Se organizó la información necesaria para realizar la planeación del trabajo en mención;
la información recolectada fue la siguiente:
5.1.1 Shapes de la Zona.
Se recopiló información tipo shape en la siguiente página web
http://www.ideca.gov.co/index.php?q=es/content/cat%C3%A1logo-de-
datosgeogr%C3%A1ficos-mapa-de-referencia , para descargar el archivo superficie de
agua donde se buscó el río San Francisco; a continuación en la ilustración 11 se observa
la representación del software ArcGIS 10.2.
Ilustración 11: Superficie de Agua
Fuente: Propia
Además se descargó el archivo denominado Calzada dentro del ítem de Transporte
Terrestre mostrada en la ilustración 12 representada por medio del software ArcGIS
10.2.
44
Ilustración 12: Calzadas
Fuente: Propia
Esto con el fin de tener la ubicación exacta del proyecto y sus principales vías.
Luego se descargó el archivo denominado manzana que se encuentra dentro del ítem de
Área Catastral. Con el fin de establecer la zona y población aferente a este canal. Además
de denotar la parte canalizada del río y la parte natural de este. Se descarga también el
archivo de sentido vial que se encuentra dentro del ítem de Transporte Terrestre. Ver
ilustración 13.
45
Ilustración 13: Manzanas y Sentido Vial
Fuente: Propia
En la ilustración 14 se observa el archivo denominado curvas de Nivel dentro del ítem de
elevación el cual nos permitió tener una topografía base para realizar la nivelación
respectiva que se debe hacer para el trabajo mostrado.
46
Ilustración 14: Curvas de Nivel
Fuente: Propia
Luego de terminado este procedimiento y obtenidos estos resultados base para realizar el
proyecto se procede a continuar con un reconocimiento en campo de la zona de estudio
con el fin de verificar la información obtenida anteriormente.
47
5.2 Reconocimiento de toda la estructura hidráulica
Se realizó el recorrido de las secciones de la estructura hidráulica que fue diagnosticado,
este proceso se validó mediante el siguiente registro fotográfico mostrado en la
ilustración 15,16,17,18,19,20 y 21 :
Ilustración 15: Secciones del canal 1
Fuente: Propia
Ilustración 16: Secciones del canal 2
Fuente: Propia
48
Ilustración 17: Secciones del canal 3
Fuente: Propia
Ilustración 18: Secciones del canal 4
Fuente: Propia
49
Ilustración 19: Secciones del canal 5
Fuente: Propia
Ilustración 20: Secciones del canal 6
Fuente: Propia
50
Ilustración 21: Secciones del canal 7
Fuente: Propia
51
5.3 Post – proceso GPS
Luego de materializar la placa GPS-1 necesaria para llevar un control espacial del
estudio, se procedió a posicionar en la placa para Georreferenciarla, este procedimiento
se realizó con un equipo GPS Topcon Hiper +, con una duración de 1 hora. En oficina se
realizaron los respectivos cálculos para hallar las coordenadas del punto.
5.3.1 Creación y configuración del proyecto.
Se trabajó en el software Topcon Tools v. 8.2.3, Si no se posee la llave de licencia del
producto se debe trabajar en la versión Demo Mode mostrado en la ilustración 22.
Ilustración 22: Post proceso- Topcon Tools – Demo Mode
Fuente: Propia
Se creó un nuevo trabajo en la opción del menú desplegable New Job y se ingresó los
datos respectivos. Ver ilustración 23.
52
Ilustración 23: Post Proceso- New Job
Fuente: Propia
En la ilustración 24 se muestra como se procedió a realizar la configuración del trabajo.
Con los parámetros: Altura, ángulos, latitudes, longitudes, elevación y área para dar
mayor precisión a la toma de los datos.
Ilustración 24: Post proceso- Configuración de Precisión
Fuente: Propia
Time. Según los Husos horarios se visualizó la hora local en que se tomaron las
observaciones para Colombia correspondió a GMT – 5:00 Bogotá. Ver ilustración 25.
53
Ilustración 25: Post proceso- Configuración de Time
Fuente: Propia
Se configuró el Sistema de coordenadas referente Gauss – Bogotá como se muestra en la
ilustración 26.
Ilustración 26: Post proceso- Configuración Sistema de Coordenadas
Fuente: Propia
54
En la ilustración 27 se muestra como se configuró los parámetros de tiempo mínimo de
observación y se definió la máscara de elevación.
Ilustración 27: Post proceso- Parámetros de Tiempo y Elevación
Fuente: Propia
Quality Control. GPS Obs Precisions. Se definieron los parámetros referentes a la calidad
o precisión de los puntos observados. Ver ilustración 28.
Ilustración 28: Post proceso- Configuración Quality Control
Fuente: Propia
55
Quality Control: Point Precisions. Se configuró la precisión adecuada a partir de los
parámetros correspondientes al Post- Proceso. Ver ilustración 29.
Ilustración 29: Post proceso- Configuración Quality Control
Fuente: Propia
5.3.2 Importación de archivos crudos.
Para subir los datos crudos al programa, se ingresó por el menú principal o por el icono
de acceso directo para buscar el comando IMPORT, Job import y se buscó la carpeta que
contiene los datos CRUDOS, estos se seleccionaron para posteriormente abrirlos como se
muestra en la ilustración 30.
Ilustración 30: Post proceso- Importar Archivos Crudos
Fuente: Propia
56
Posteriormente se procedió a configurar los puntos BOGA Y BOGT los cuales servirán
de estaciones permanentes. Estos se descargaron de la página del IGAC. Ver ilustración
31.
Ilustración 31: Post proceso- Configuración Estaciones Permanentes
Fuente: Propia
Luego se configuraron los demás puntos importados que para el caso del proyecto es la
placa denominada GPS-1. Ver ilustración 32.
Ilustración 32: Post proceso- Configuración GPS-1
Fuente: Propia
En la opción Map View se muestra la localización de los puntos importados con respecto
al norte en una grilla demarcada como se muestra en la ilustración 33.
57
Ilustración 33: Post proceso- Map View
Fuente: Propia
De igual forma se realizó el post proceso en la opción de GPS + Post Procesing. Ver
ilustración 34.
Ilustración 34: Post proceso- GPS + Post Procesing
Fuente: Propia
Modelo CAD View. En el esquema y ubicación geográfica de los puntos post procesados,
Se obtuvo coordenadas X, Y (Este, Norte) al GPS-1. Ver ilustración 35.
58
Ilustración 35: Post proceso- Modelo CAD View
Fuente: Propia
En la opción Ocupation View se muestra el tiempo que grabaron datos los puntos
importados expuesto en la ilustración 36, como se mencionó anteriormente el GPS-1 tuvo
una duración de grabación de 1 hora y las dos estaciones permanentes se descargó el
Rinex de las 24 horas. Esta información es de suma importancia para el posterior ajuste.
Ilustración 36: Post proceso- Ocupation View
Fuente: Propia
Se utilizó la opción del Ajuste para obtener datos más precisos de la Georreferenciación
en donde se despliega un cuadro de texto mostrando los puntos ajustados y puntos
rechazados por el control de calidad que se configuró previamente. Como se muestra en
la ilustración 37.
59
Ilustración 37: Post proceso- Ajuste
Fuente: Propia
Luego se puede visualizar los puntos que fueron ajustados en este caso será solo el GPS-1
ya que las estaciones permanentes fueron configuradas como BASE. Ver ilustración 38.
Ilustración 38: Post proceso- Puntos Ajustados
Fuente: Propia
Por último se exportaron los datos en varias formas de documentos, un documento en
Excel .csv delimitado por comas, dibujo de AutoCAD .dwg como nube de puntos. Se
generó un reporte de los datos obtenidos en archivo HTML, y Word (Ver anexo 14), lo
cual permitió manejar el archivo de una manera eficaz e independiente.
60
5.4 Descripción Secciones del Canal
Se tomaron diferentes medidas a lo largo del canal en las secciones que lo componen, con
ayuda de un flexómetro se obtuvo la información necesaria para desarrollar el diagnóstico
hidráulico, uno de los resultados encontrados fue que el canal no tiene las mismas
dimensiones longitudinales en todas sus secciones.
Las secciones encontradas en el recorrido fueron de tipo rectangular. En la tabla 2 se
expone el tipo de sección.
Tabla 2. Representación Tipo de Sección
Tipo de Sección Representación
Sección Rectangular
Los tramos de las secciones
rectangulares se definen con un ancho de
solera de 2 m, una profundidad de 0.60
m y un ancho en los muros en la
estructura de 0.30 m.
Fuente: Propia
61
5.5 Cálculo del Caudal
Se utilizó la ecuación de Francis para obtener el caudal aproximado del canal del río San
Francisco. Se tomaron las medidas en campo de la altura de la Napa (h) en las 49
divisiones que crean los vertederos entre ellos, de las 42 secciones del canal. La fórmula
se aplicó de la siguiente manera:
Para la primera sección se utilizaron los siguientes datos expresados en la tabla 3.
Tabla 3. Datos de entrada para el cálculo del caudal
Datos de entrada para el cálculo del caudal
Constante
1.84 Ancho de solera(b)
2.0m Número de contracciones(n)
0 Altura de la Napa (h)
0.004m
Fuente: Propia
𝑄 (𝑚3
𝑠) = 1.84 ∗ (𝑏 − (0.1 ∗ 𝑛 ∗ ℎ)) ∗ ℎ
23
𝑄 (𝑚3
𝑠) = 1.84 ∗ (−(0.1 ∗ 0 ∗ 0.004)) ∗ 0.004
23
Arrojando como resultado un caudal Q= 0.000931 m3
s para la primera sección
Se procedió de la misma manera utilizando los mismos datos de Constante, Ancho de
solera y número de contracciones para cada una de las secciones de los vertederos como
se muestra en la tabla 4. Por consiguiente se determinó el caudal correspondiente a cada
una de las divisiones entre vertederos.
62
Tabla 4. Determinación del Caudal
Cálculo del caudal
H NAPA (H NAPA)^1.5 CAUDAL
0.004 0.000253 0.000931
0.004 0.000253 0.000931
0.003 0.000164 0.000605
0.009 0.000854 0.003142
0.020 0.002828 0.010409
0.012 0.001315 0.004837
0.020 0.002828 0.010409
0.020 0.002828 0.010409
0.010 0.001000 0.003680
0.015 0.001837 0.006761
0.020 0.002828 0.010409
0.013 0.001482 0.005455
0.020 0.002828 0.010409
0.009 0.000854 0.003142
0.010 0.001000 0.003680
0.007 0.000586 0.002155
0.005 0.000354 0.001301
0.010 0.001000 0.003680
0.010 0.001000 0.003680
0.010 0.001000 0.003680
0.002 0.000089 0.000329
0.010 0.001000 0.003680
0.020 0.002828 0.010409
0.020 0.002828 0.010409
0.007 0.000586 0.002155
0.010 0.001000 0.003680
0.012 0.001315 0.004837
0.020 0.002828 0.010409
0.012 0.001315 0.004837
0.007 0.000586 0.002155
0.012 0.001315 0.004837
0.010 0.001000 0.003680
0.010 0.001000 0.003680
0.010 0.001000 0.003680
0.010 0.001000 0.003680
Fuente: Propia
63
El caudal promedio calculado fue equivalente a 0.004992 m3/s obtenido de la división
entre la sumatoria de los caudales y el número de divisiones que crean los vertederos
entre ellos en las 42 secciones del canal igual a 49.
Este valor de caudal promedio es equivalente a 4.92 L/s conforme como la cantidad de
flujo general para el canal del río San Francisco.
5.6 Análisis y diagnóstico hidráulico
Se realizó la materialización de la placa GPS1, ya que en la zona cercana al canal solo se
encontró una placa certificada por el IGAC con nomenclatura CT-1436 (ver anexos 9 y
10), dando paso al post-proceso para la precisión en coordenadas y el amarre
correspondiente entre las dos placas. Fue necesario el levantamiento topográfico desde
las dos placas para la localización del canal y sus dimensiones correspondientes. Se hizo
una nivelación para obtener las pendientes entre secciones, para el posterior cálculo del
caudal y la fuerza tractiva del canal.
El canal se divide en cinco tramos diferentes entre sí, los cuales tienen las siguientes
distancias. Ver tabla 5.
Tabla 5. Tramos y distancias del canal.
Tramo Distancia( m)
1 78.99
2 39.15
3 26.54
4 10.11
5 43.74
TOTAL 198.53
Fuente: Propia
Se obtuvo un total entre tramos de 198.53 metros.
La estructura tiene un diseño acabado en hormigón, con secciones transversales y fondo
en grava, conectando los tramos con una tubería de 8´´ y en algunos casos con doble
tubería de 6´´.Se observó que la estructura por medio de los vertederos controla el flujo
con respecto al fondo del canal usándolos como disipadores de energía.
64
Sus dimensiones primordiales, y de gran utilidad para la aplicación de la ecuación de
Francis fueron la altura o tirante (y) medido desde el fondo del canal hasta la lámina de
agua, y su ancho de solera (b) correspondiente al ancho del canal y tomando el talud (z)
como 0 debido a que es una sección rectangular con un ángulo de 90º. El área de las
secciones transversales en cada sección fue de 1.20 m2. Ver tabla 6.
Tabla 6. Dimensiones del canal.
TIRANTE (y) 0.6m
ANCHO SOLERA (b) 2.0m
AREA SECCION TRANSVERSAL 1.20𝑚2
TALUD (Z) 0.0
Fuente: Propia
Para el análisis y diagnóstico hidráulico se usó la ecuación de Francis para el cálculo del
caudal. También se utilizó la ecuación de fuerza tractiva antes descrita para el arrastre de
sedimentos y basuras.
Se realizó una gráfica mostrando el comportamiento del caudal a lo largo de las 49
divisiones entre vertederos, calculado con la ecuación de Francis mostrada a continuación
en la ilustración 39.
Ilustración 39: Diagrama del caudal de Francis
Fuente: Propia
0,000000
0,002000
0,004000
0,006000
0,008000
0,010000
0,012000
1 3 5 7 9 1113151719212325272931333537394143454749
Q. Francis
Q. Francis
65
Se obtuvieron 42 secciones para medición de caudal y 49 divisiones de vertederos entre
ellas. Se hizo la categorización de los datos y en la tabla 4 se observó que los caudales no
superan los 0.0104 m3/s equivalente a 10.4 L/s siendo 0.0003 m3/s equivalente a 0.3 L/s
la cantidad de flujo más baja que pasa en el canal, su promedio fue 0.0049 m3/s
equivalentes a 4.9 L/s tomando este como el caudal y la cantidad de flujo general para el
canal del río San Francisco.
Los valores cercanos o iguales a 10.4 L/s siendo este el valor mayor, se deben a que la
altura (h) de la napa es mayor por la cantidad de flujo que pasa, que es mostrado en su
valor resultante de la ecuación de Francis. Igualmente sucede con el valor más bajo
equivalente a 0.3 L/s siendo la altura (h) de la napa mucho menor.
Se pudo afirmar que el caudal obtenido por medio de la ecuación de Francis es apropiado
porque el canal debido a su estado muestra un flujo transitoriamente lento que permite la
acumulación de basuras dentro del canal.
Se tuvo en cuenta el principal problema del canal del río San Francisco, la acumulación
de sedimentos y basuras por falta de mantenimiento. Se aplicó el análisis por medio de la
ecuación de la fuerza de arrastre o fuerza tractiva del canal expuesta anteriormente. Como
lo muestra la tabla 7.
Tabla 7. Cálculo fuerza tractiva
Cálculo fuerza tractiva
Tramo Densidad Radio hidráulico Pendiente Fuerza tractiva
1 9800N
m2 0.375m 0.028m 102.9 N
2 9800N
m2 0.375m 0.012m 44.1 N
3 9800N
m2 0.375m 0.010m 36.75 N
4 9800N
m2 0.375m 0.014m 51.45 N
5 9800N
m2 0.375m 0.006m 22.05 N
Fuente: Propia
Como resultado se pudo observar que el cálculo supera la fuerza mínima que equivale a 3
Newton para el arrastre de sedimentos.
66
Aunque la fuerza tractiva calculada es mayor a la fuerza mínima de arrastre, las
condiciones del canal impiden que cumpla su verdadera función, esto debido al desgaste
y mal mantenimiento del canal.
Se hace mención que la estructura hidráulica a pesar del tiempo, condiciones de
salubridad y desgaste está en las condiciones para soportar el caudal del canal que da
manejo al río San Francisco. Dando referencia a la aplicación de la ecuación de Francis y
las medidas de las dimensiones del canal tomadas en campo aportan que en este caso
caudal y tirante normal (y) es óptimo en altura ya que no se excede basándose en el
levantamiento topográfico.
67
5.7 Alternativa de mejoramiento del canal (Auto limpieza)
La alternativa propuesta para mejorar la condición hidráulica que en este caso es la
velocidad del canal, es modificar los vertederos en cada una de las secciones
rectangulares.
Realizar un sumidero a tipo de rejilla en cada sección transversal contra la pared
donde termina cada sección del vertedero y comienza la otra. Este sumidero
deberá ser de una dimensión del 10% de la pared de la sección.
Realizar un desarenador de 1 metro de ancho por 10 centímetros de alto al
comienzo de cada vertedero partiendo del fondo de la primera sección.
Esto permite que la velocidad del agua y la fuerza tractiva aumente para que el arrastre
de las partículas y sedimentos sea mayor y puedan ser transportados a la salida de cada
una de las secciones, alojándolos en los desarenadores garantizando continuidad de flujo
en el canal.
Para dar factibilidad de la solución propuesta, se debe realizar una limpieza periódica y
detallada de los sedimentos y basuras captadas por los desarenadores y la adición de
aceite quemado para su mantenimiento.
Se debe dar un enfoque más detallado en la estructura del canal, revisar los parámetros y
estándares hidráulicos que debe cumplir la estructura para un funcionamiento óptimo y
así poder llegar a una solución completa.
68
6. Conclusión
Se concluye que la estructura hidráulica lleva un caudal promedio de 0.004992 𝑚3/s o
4.992 L/s. Este caudal aproximado se halló por medio de la ecuación de Francis, dando
como resultado un flujo transitoriamente lento para el arrastre de sedimentos acumulados
en el canal.
Las irregularidades que presenta el canal son principalmente por problemas de
sedimentación dadas por la mala salubridad del canal, teniendo en cuenta que el sistema
es conectado por una tubería que tiene un diámetro de 8 pulgadas, en algunos casos doble
tubería de 6 pulgadas, al no ser limpiado los desechos como basuras u otro tipo de
elementos, quedan atrapados en la tubería impidiendo el flujo normal de agua que pasa
todo el sistema hidráulico. Dando paso a un represamiento del agua por la falta de
movimiento del flujo normal.
Se observó que el manejo de limpieza del canal es deficiente y genera desgaste a la
estructura dando problemas por la acumulación de basuras y desechos que son tirados al
canal. Se debería aplicar la alternativa de auto limpieza expuesta para mejorar el
rendimiento y su posterior conservación.
69
7. Recomendaciones
La Alcaldía de Bogotá en conjunto con la empresa de Acueducto de Bogotá EAB
deberá hacer un recorrido periódico de toda la estructura para darle una constante
limpieza al canal para garantizar un buen estado de la estructura teniendo en
cuenta que este es un sitio de interés turístico.
Se recomienda realizar un estudio que indique periódicamente las variaciones que
puede llegar a tener el caudal y así poder observar comportamiento de la
estructura.
Se recomienda realizar y aplicar la alternativa de mejoramiento y auto limpieza
propuesta.
70
8. Referencias
Chow, V. T. (1994). Hidráulica de Canales Abiertos. Bogotá, Colombia: McGraw-
Hill Interamericana S.A
Khouri, E. A. (2004). Apuntes de Hidráulica para explotaciones forestales. Asturias,
España: Servicio de publicaciones. Universidad de Oviedo
Koolhaas, M (16 de junio de 2015). Orificios, pases de agua y alcantarillas.
Uruguay: Facultad de agronomía, Universidad de la república. Recuperado de
http://www.fagro.edu.uy
López, R. A. (1995). Elementos de diseño para acueductos y alcantarillados. Bogotá,
Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería
Nullvalue. (17 Febrero de 2001). El Renacer de la Jiménez. El tiempo. Recuperado de
http://www.eltiempo.com/
Rodríguez, P. (2008). Hidráulica II. Recuperado de https:// Mega.nz/
Secretaria de Cultura Recreación y Deporte. (2007). La Candelaria Observatorio de
culturas. Recuperado de http://www.culturarecreacionydeporte.gov.co/
Secretaria Distrital de Planeación. (2009). Conociendo la Candelaria: Diagnostico de
los aspectos físicos, demográficos y socioeconómicos. Recuperado de
http://www.sdp.gov.co/
Secretaria Distrital de Planeación. (2009). Diagnóstico de los aspectos físicos,
demográficos y socioeconómicos. Recuperado de http://www.sdp.gov.co/
Shames, I. H. (1995). Mecánica de fluidos. Bogotá, Colombia: McGraw-Hill
Interamericana S.A
71
Anexos
Anexo 1: Placa CT-1436 IGAC
Anexo 2: Placa GPS-1
Anexo 3: Posicionamiento Placa CT-1436 IGAC
Anexo 4: Cálculo de la Poligonal
Anexo 5: Poligonal
Anexo 6: Cartera de detalles
Anexo 7: Levantamiento
Anexo 8: Nivelación y contra nivelación entre placas
Anexo 9: Nivelación y contra nivelación cambios entre tramos
Anexo 10: Nivelación de los tramos
Anexo 11: Planta perfil
Anexo 12: Certificación IGAC Placa CT–1436
Anexo 13: Diagrama de obstáculos Placa CT-1436
Anexo 14: Reporte Post-Proceso
Anexo 15: Secciones Transversales