ESTUDIO HIDROGEOLOGICO PARA LA QUEBRADA RAMIREZ EN LA CONSTRUCCION DE LA BATEA Y PRESERVACION CON GAVIONES DE

LA BANCA EN LA VIA SECUNDARIA CACHIRA - EL DIAMANTE K7+000.

CONTRATO 1321 COLOMBIA HUMANITARIA

OBCELC SASContratista

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERInterventor Colombia Humanitaria

ING. IMAR ORLANDO VACCA MACHADOInterventor Contratista

REPUBLICA DE COLOMBIACOLOMBIA HUMANITARIA

DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDERMUNICIPIO DE CACHIRA

JUNIO DE 2012

1. ANTECEDENTES GEOGRAFICOS REGIONALES

El municipio de Cáchira en el departamento Norte de Santander, está localizada a los 7º 44' de latitud Norte y 73º 03' de longitud Oeste. La mayoría del territorio es montañoso y escarpado, sobresaliendo el distinguido y caudaloso rio Cáchira del Espíritu Santo con sus afluentes bañando al valle del mismo nombre, desde el piedemonte del Páramo de Guerrero hasta los planes de tierra Grata, cruzando el municipio de la Esperanza para desembocar al rio Lebrija. Su fisiografía montañosa que corresponde en la parte oriental en el Páramo de

Guerrero donde se desprenden dos grandes ramales, el de la cordillera del alto de ventanas que sigue hacia el occidente hasta rematar hasta tierra grata, límites con el municipio de la Esperanza y el otro que sigue el curso del cañón del valle del rio hacia la parte oriental y sur que forma los cerros del alto de la Carrera y las estribaciones montañas de San José de la Montaña rematando en las mediaciones con límites de Santander y del alto de la laguna del oriente, límites con Sabanas de Torres. Sus suelos presentan en las zonas ribereñas altos contenidos de nutrientes y en las laderas son escasos debido a las fuertes pendientes. En la zona por donde pasa el rio Cáchira, estos suelos son los más cultivados. Estos dos ramales antes mencionados distribuyen el relieve, a la vez que las corrientes fluviales del municipio, perteneciendo a cuatro cuencas hidrográficas importantes: por el norte la quebrada de la Caramba, el oriente el rio Cáchira las quebradas de Raura y Galvanes y más al oriente la quebrada de la Carrera. El clima depende del relieve del municipio y determina una amplia variedad de pisos térmicos, con temperaturas que van desde los 35°C, hasta los 3°C. El régimen de lluvias varía de norte a sur, en las tierras selváticas la precipitación alcanza los 3.500 mm anuales y en las zonas montañosas sólo se registran 500 mm. Por las características del relieve se encuentran los pisos térmicos cálido, templado y frío y el piso bioclimático páramo. Los límites del municipio de Cáchira son: al Norte con Ábrego y Villacaro, al Sur con el Departamento de Santander, al Oriente con Salazar y Arboledas, al Occidente con La Esperanza. La extensión total del Municipio es de 606 Km2. La altitud de la cabecera municipal es de 2.025 metros sobre el nivel del mar con una temperatura media de 18º C, precipitación media anual de 936 mm y dista de Cúcuta a 312 Km.

2. METODOLOGIA DEL PROYECTO

El ESTUDIO HIDROGEOLOGICO PARA LA QUEBRADA RAMIREZ EN LA CONSTRUCCION DE LA BATEA Y PRESERVACION CON GAVIONES DE LA BANCA EN LA VIA SECUNDARIA CACHIRA EL DIAMANTE K7+000, CONTRATO 1321 COLOMBIA HUMANITARIA, considerará las imágenes satelitales disponibles en los sistemas de información geográfica, la Cartografía referenciada en la plancha 97-II-D del Instituto Geográfico Agustín Codazzi – IGAC a escala 1:25.000 y el cuadrángulo Geológico H-13 de INGEOMINAS.

2.1 IMÁGENES SATELITALES. Las imágenes disponibles datan de 1969 y facilitaron el reconocimiento del proyecto en la elaboración y digitalización de la cartográfica base.

IMAGEN SATELITAL GOOGLE EARTH

2.2 CARTOGRAFIA. Para el estudio hidrológico de la cuenca de la quebrada Ramírez afluente primario del Río Cáchira en zona de influencia de la vía Cáchira – El Diamante, de acuerdo a la cartografía del IGAC anexa, se registra una superficie de 195 Hectáreas aproximadamente, la cual conduce esta corriente hídrica superficial en una longitud de 3100 metros aproximadamente hasta cortar el mencionado carreteable, con una pendiente del 19% aproximadamente equivalente a una relación de 0,19 m/m, con una precipitación máxima de 50 mm anuales para esta zona montañosa.

CARTOGRAFIA PLANCHA 97-II-D IGAC

2.3 GEOLOGIA. El municipio de Cáchira presenta afloramientos rocosos metamórficos de esquistos micáceos y horizontes sedimentarios areniscos que originan suelos conglomeráticos aluviales y coluviales, medianamente erosionables y susceptibles a fenómenos de remoción en masa, debido a la deforestación en actividades de pastoreo y sobre riego que saturan el suelo hasta colapsarlo en época invernal.

CUADRANGULO GEOLOGICO DE INGEOMINASQtz - TERRAZAS ALUVIALES, Pzia - ESQUISTOS MICACEOS y Kit - ARENISCAS

2.4 GEOTECNIA. Como caracterización geotécnica en el área de estudio para el cruce de la quebrada Ramírez, se obtuvieron los siguientes tipos de suelos:

Materiales gruesos de los grupos GM y SM donde el contenido de finos afecta las características de resistencia y esfuerzo-deformación y la capacidad de drenaje libre de la fracción gruesa. La plasticidad de los finos en estos grupos varía entre “nula” y “media”; es decir, el límite de plasticidad se localiza por debajo de la línea A y su índice de plasticidad es menor que 4.

En el área de estudio este tipo de suelo predomina en el cauce de depositación aluvial de la quebrada Ramírez, presentándose lechos conglomeráticas recientes con sobre tamaños de cantos, gravas y arenas, producto del arrastre y transporte de material intemperizado aguas arriba de la quebrada en mención, la cual corta rocas areniscas y calizas de la Formación Tibu Mercedes. Estos depósitos debido a sus características son altamente permeables y drenan con facilidad, lo cual favorece la escorrentía. Además, el material de lecho de quebrada nos sirve para la construcción de las obras de preservación de la banca con gaviones, al proveernos de grava como se evidencia en el registro fotográfico siguiente.

REGISTRO FOTOGRAFICO QUEBRADA RAMIREZ

Como característica física se anexa el valor del ángulo de fricción para suelos granulares presentes.

VALORES DE PARA SUELOS GRANULARES

Tipo de Suelo (Grados)Suelto Denso

LimoArena LimosaArena UniformeArena bien gradadaGrava arenosa

27 – 3027 – 33

283335

30 – 3430 – 35

344550

El material fino encontrado pertenece al grupo CL y corresponde a arcillas inorgánicas comprendidas en la zona sobre la Línea A, definidas por un límite líquido menor al 50% y el índice de plasticidad mayor a 7. En el área de estudio este tipo de suelo predomina en los depósitos coluviales y en los afloramientos intemperizados de arcillolita, por donde el trazado del corredor vial corta el Ortoneis y la Formación Silgara. Estos depósitos debido a sus características son impermeables y NO drenan con facilidad, lo cual desfavorece la escorrentía. Son altamente plásticos, por lo que la estabilidad en los cimientos de las obras de arte y contención a construirse deberá contemplarse.

CARACTERISTICAS FISICAS DE LAS ARCILLAS

Gravedad Específica 2.65 Porosidad (n) 37 %Relación de Vacíos (e) 0.60 Contenido de Humedad 22%Densidad seca (Mg/m3) 1.69 Densidad saturada 2.06

CONSISTENCIA DE LAS ARCILLAS

Consistencia Resistencia al corte no drenado Cu (KN/m2)BS 5930: 1981 Terzaghi y Perck

Muy blanda < 20 < 12

BlandaFirmeMediaRígidaMuy rígidaDura

20-4040-75

75-100> 150

12-25

25-5050-100

100-200>200

2.5 HIDROLOGIA. El estudio hidrológico tiene como objetivo primordial obtener los caudales máximos para la revisión y diseño de la obra a construir para el paso de vehículos en la vía secundaria que conduce de Cáchira a la vereda Ramírez sector El Diamante, en la abscisa referenciada como el K7+000. Para la realización del estudio se recopiló la información geográfica necesaria (hidrología, climatología y cartografía) obteniendo un reconocimiento e inspección de esta fuente y su cuenca hidrográfica, teniendo en cuenta la cobertura vegetal (pastos y escasos bosques), las condiciones del cauce (drenaje irregular paralelo) y las característica orográfica de la fuente (relieve quebrado en areniscas sedimentarias). Como base para las evaluaciones realizadas, se emplearon registros de estaciones localizadas regionalmente en el área del proyecto y los datos suministrados del plano de curvas isoyetas medias anuales de la cartografía temática del Plan Básico de ordenamiento Territorial del Municipio de Cáchira. De acuerdo con lo anterior la precipitación anual para la zona del proyecto varía entre 500 a 1000 milímetros. El ciclo anual de precipitación presenta dos periodos lluviosos y dos periodos secos. Los periodos lluviosos comprenden de abril a mayo y de septiembre a diciembre, siendo este último el más intenso. Los periodos secos se presentan durante los meses de enero a marzo y de junio a agosto.

A partir de las lluvias máximas en 24 horas registradas, se estimaron las lluvias máximas para el período de retorno asumido (25 años), a partir de la distribución de Gumbel. El valor promedio de la precipitación máxima en 24 horas es de 50 mm.

Las curvas Intensidad – Duración – Frecuencia se elaboró en base a la ecuación de F. Bell.

INTENSIDAD - DURACION (BELL)

tCr 60 120 14025 2.99 2.19 2.0430 3.59 2.63 2.4535 4.18 3.07 2.8640 4.78 3.51 3.27

I = Cr / (t + 10)^0.5Donde:

I : Intensidad máximat : Duración del aguacero en minutos (60, 120 y 240 min)Cr : Coeficiente que se deduce de la intensidad horaria (25, 30, 35 y

40)

Teniendo en cuenta la distribución de la lluvia en el tiempo para la zona y basados en estudios anteriores, se tomó como precipitación máxima horaria el 50% de la precipitación máxima diaria, es decir de 25 mm/hora. El cálculo de las crecientes para los periodos de retorno de 25 años en cada uno de los sitios de interés se llevó a cabo utilizando el método Racional.

De acuerdo con este método, la ecuación a aplicar para calcular el caudal es la siguiente:

Q = 0.2778 x C x I x ADonde:

C : Coeficiente de escorrentía que depende del uso y tipo de suelo, de la

cobertura vegetal de la cuenca y de la humedad antecedente.I : Intensidad de la lluvia en mm/hora.A : Area de drenaje de la cuenca en Km2.Q : Caudal de diseño en m3/seg.

El valor del coeficiente de escorrentía (C), se determinó de acuerdo con la siguiente expresión: (establecida por la DIRECCION GENERAL DE CARRETERAS DE ESPAÑA. TEMEZ, José R. Cálculo Hidrometeorológico de Caudales máximos en Pequeñas cuencas Naturales. Madrid, 1978)

C = (Pd – Po) x (Pd + 23 Po)(Pd + 11 Po)

Donde:C : Coeficiente de escorrentíaPo : Parámetro que depende del uso y tipo de suelo, de la cobertura

vegetal de la cuenca y de la humedad antecedente (1,5).Pd : Precipitación (cm) máxima en 24 horas para los periodos de

retornoconsiderados (50 mm/día)

El Po se determinó a partir del número de escurrimiento (CN), aplicando la siguiente expresión.

Po = 5080 – 50.8 x CNCN

Según las características del tipo de suelo y de cobertura vegetal de la cuenca se determinó el número de escurrimiento (CN), para la condición II de humedad antecedente o sea para condición de suelo intermedio (CN = 97).

Con la información de campo obtenida durante el desarrollo del estudio, se obtuvieron las condiciones de cobertura vegetal y usos del suelo para cada subcuenca seleccionada, correlacionándose con el PBOT como zonas de pastoreo y de cultivos transitorios, con reservas de bosque como protección del ecosistema natural para las corrientes hídricas de la región.Con los valores de CN, Po y Pd, se determinó el valor de C para la subcuenca utilizando las expresiones anteriores.

La intensidad de la lluvia en mm/hora para los diferentes periodos de retorno, se obtuvo a partir de las curvas Intensidad – Duración – Frecuencia, considerando la duración de la lluvia en la subcuenca igual al tiempo de concentración.

C Po Pd CN62.00 1.57 50 97

QCr 60 120 14025 100.36 73.64 68.5630 120.43 88.37 82.27 C A (Has) A (Km2)35 140.50 103.10 95.98 62.00 195 1.9540 160.57 117.83 109.69

El tiempo de concentración para la subcuenca se determinó de acuerdo con la ecuación de Kirpich:

Tc = 0.0663 x L0.77 x S-0.385

Donde:

Tc : Tiempo de Concentración en horasL : Longitud del cauce desde el punto más alejado de la cuenca

hastael sitio de interés en Km.

S : Pendiente promedio del cauce principal en m/m

Tc L S Tc (min)0.30 3.10 0.19 17.89

Para determinar las características morfométricas de las cuencas, se delimitó el área tributaria de la corriente (quebrada Ramírez), se midió la longitud y se halla la pendiente del cauce correspondiente.

Con el caudal de drenaje superficial correspondiente a la quebrada Ramírez, se busca diseñar y mantener la estabilidad al paso de la vía con una batea calzada en concreto de 4000 PSI con aditivos resistentes a la abrasión por el material de arrastre transportado, producto de las crecidas súbitas y tener en cuenta la adición de aditivos para fundición de concretos sumergidos. Así mismo, se evaluará el comportamiento a la socavación del mencionado afluente sobre su cauce.

3. DIAGNOSTICO Y EVALUACION DE SOCAVACION EN LA QUEBRADA RAMIREZ

La socavación es un fenómeno natural causado por la acción erosiva del agua que arranca y acarrea material del lecho y de las bancas de un río y es una de las principales causas de falla de los puentes, muros, bateas o calzadas, especialmente durante épocas de creciente invernal.

La socavación en puentes ocurre en las pilas, en los estribos, en los terraplenes de acceso, o en las laderas del río y puede llegar a poner en peligro la estructura. La necesidad de minimizar las fallas de puentes, que es un problema prácticamente en todos los países del mundo, ha llevado a desarrollar una gran cantidad de investigaciones especialmente usando

modelos de laboratorio a escala con el fin de establecer metodologías para calcular la máxima profundidad de socavación que puede afectar a una estructura.

Las bases científicas para el cálculo estructural de un puente están bastante bien definidas, pero no existe una teoría unificada que permita determinar las profundidades de socavación a esperarse, debido principalmente a la naturaleza tan compleja del problema. Existen muchas ecuaciones para calcular las profundidades de socavación alrededor de pilas y algunas aplicables para el caso de estribos. Sin embargo, poca verificación se tiene de los resultados obtenidos usando información de campo. Hay mucha incertidumbre sobre el uso de las ecuaciones y sobre cuál representa mejor las condiciones reales de un puente. Esto hace difícil establecer una sola ecuación que sea lo suficientemente precisa y segura para estimar las profundidades de socavación debido a las muchas variables involucradas en el problema como son: caudal de diseño, geometría de las estructuras, turbulencia, estratigrafía, tamaño y distribución del sedimento, características hidráulicas durante crecientes, tiempo de duración de la creciente y acumulación de basuras. Las mayores profundidades de socavación se producen usualmente durante épocas de creciente en que el flujo es no permanente, lo que vuelve aún más complejo el problema.

Los principales factores que actúan en la generación de los caudales sólidos y líquidos que llegan a los cauces naturales y son transportados por ellos están relacionados con las características de la lluvia y de la cuenca, la erosión pluvial y la dinámica de los cauces.

Características de la lluvia:

Intensidad Duración Frecuencia Distribución temporal

Características de la cuenca:

Morfometría: Area, Longitud, Pendiente, Elevación media, entre otras. Capacidad de almacenamiento: Concentrado en depósitos puntuales o distribuidos

sobre el área. Clase y uso del suelo.

3.1 EROSION PLUVIAL. La magnitud de la erosión pluvial depende del régimen de lluvias y de la geomorfología de la hoya vertiente. La erosión se cuantifica por medio del parámetro denominado "pérdida de suelo". Esta pérdida de suelo representa un potencial medio de erosión anual y se expresa en milímetros de suelo por año (mm/año). Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensión que transporta la corriente.

Los siguientes son los factores que intervienen en el cálculo de la Pérdida de Suelo:

Número de aguaceros fuertes en el año, intensidades de los aguaceros, tamaño y altura de caída de las gotas de agua.

Erodabilidad del suelo. Distribución de los cultivos. Mantenimiento y protección de los suelos. Características físicas de la zona: Area, Longitud y Pendiente.

3.2 DINAMICA DE LOS CAUCES. La dinámica de los cauces depende de su caracterización hidráulica, la cual se basa en los siguientes aspectos:

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la línea del agua, debido a que el fondo no es una buena referencia, tanto por su inestabilidad como por sus irregularidades. La pendiente de la línea del agua varía con la magnitud del caudal, y esa variación es importante cuando se presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos, por ejemplo al paso de crecientes. En los períodos que tienen un caudal más o menos estable es posible relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos.

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la medición de sus características geométricas se realiza con levantamientos batimétricos. La línea que une los puntos más profundos de las secciones transversales a lo largo de la corriente se denomina thalweg. En las corrientes de lecho aluvial se observan continuas variaciones en las secciones transversales y en la línea del thalweg. Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del régimen de caudales, la capacidad de transporte de sedimentos, y el grado de estabilidad del cauce.

El régimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica en función del Número de Froude, NF, el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad. En el régimen supercrítico (NF > 1) el flujo es de alta velocidad, propio de cauces de gran pendiente o ríos de montaña. El flujo subcrítico (NF <1) corresponde a un régimen de llanura con baja velocidad. El flujo crítico (NF = 1) es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los cauces naturales. Esta viscosidad depende principalmente de la concentración de la carga de sedimentos en suspensión, y en menor escala de la temperatura. En cauces limpios, o sea aquellos en los que la concentración de sedimentos es menor del 10% en volumen, el agua se puede considerar como de baja viscosidad. A la temperatura de 20ºC la viscosidad absoluta es del orden de 1 centipoise. En el caso extremo, cuando se conforman flujos de lodo, donde la proporción volumétrica entre el sedimento y el líquido sobrepasa el 80% , la viscosidad aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises.  Teniendo en cuenta que las fórmulas empíricas de flujo en corrientes naturales se han desarrollado para corrientes de agua limpia, es claro que las velocidades que se calculan con estas fórmulas resultan más altas que las velocidades reales cuando se aplican a flujos viscosos. En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga de fondo, carga en

suspensión y carga en saltación; la última componente es una combinación de las dos primeras. La suma de las tres se denomina carga total.

La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos, por cuanto está relacionada directamente con la velocidad del agua. En los tramos de pendiente fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 %, y las velocidades de flujo resultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de diámetros mayores de 5 centímetros, además de los sólidos que ruedan por desequilibrio gracias al efecto de lubricación producido por el agua.

Los Desbordamientos se producen cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro de pendiente baja, su capacidad de transporte se reduce y comienza a depositar los materiales que recibe del tramo anterior. En este proceso forma islas y brazos y puede tomar una conformación trenzada, con cáuce divagante. Además, el material que se deposita eleva el fondo del cáuce y disminuye su capacidad a cauce lleno. En los cauces de régimen tranquilo, también denominados de llanura, las aguas se desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce lleno. Por su lado en los tramos de régimen torrencial o de montaña, se presentan principalmente fenómenos de socavación de fondo y erosión de márgenes.

3.3 CAUCES EN RÉGIMEN TORRENCIAL. El régimen torrencial se caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta, el número de Froude es mayor que 1 y la línea del agua se ve afectada por la formación de resaltos que son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones transversales. Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos. La cantidad de material que efectivamente transportan estos cauces depende de la conformación del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los sedimentos. El lecho del río puede ser rocoso, aluvial o de material cohesivo. En el primer caso la sección transversal es estable; en el segundo se presenta transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto, y en el tercero el grado de cohesión es un factor que reduce la posibilidad de movimiento del material de fondo, en comparación con el material aluvial del mismo tamaño.

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de régimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenómenos de socavación y agradación; la segunda como consecuencia de la primera.

La socavación se clasifica como general que es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y está relacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo, aun cuando eventos catastróficos pueden acelerarlo. La socavación local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento, espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cauce, obras transversales de control, etc.

La socavación en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos componentes, la socavación general y la socavación local. Antes de diseñar obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la magnitud de la socavación. Para determinar la magnitud de la socavación general se deben realizar análisis geomorfológicos entre puntos de control, o sea entre secciones estables. Estos análisis se basan en el estudio de fotografías aéreas y cartografía de diferentes épocas, y en los cambios que se aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topográficos.

La socavación local tiene dos componentes, la producida por el paso de crecientes y la correspondiente a la construcción de obras civiles. Para calcular la primera existe un sinnúmero de fórmulas, que son modificadas continuamente por sus autores, a medida que se avanza en la experimentación de campo. Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la carga de fondo, y en los conceptos expuestos por Shields, (Leliavsky).  

El Ingeniero Mejicano José Maza A, ha realizado experimentos sobre socavación en ríos, y en su libro River Hydraulics presenta el desarrollo de fórmulas que permiten calcular la socavación que se produce en los cauces al paso de las crecientes extraordinarias. Para el cálculo de la socavación local por efecto de pilas y estribos de puentes, muros longitudinales, obras transversales, etc, hay necesidad de revisar las experiencias que existen en cada caso particular y las fórmulas empíricas que se han desarrollado.

3.4 OBRAS DE CONTROL. El diseño de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se conozcan los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos del tramo que recibe la influencia de la construcción de dichas obras. Los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos presentan pronósticos sobre la evolución futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales medios, mínimos y de creciente, niveles mínimos, máximos y medios, posibles zonas de inundación, velocidades de flujo, capacidad de transporte de sedimentos, socavación y agradación.

Las obras más comunes en corrientes naturales son las siguientes:

Obras transversales para control torrencial. Operan como pequeñas presas vertedero. Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo en un tramo específico, aguas arriba de la obra. Actúan como estructura de control. Pueden fallar por mala cimentación, o por socavación generada inmediatamente aguas abajo.

Espolones para desviación de líneas de flujo. Son estructuras agresivas que, en lo posible, deben evitarse porque pueden producir problemas erosivos sobre las márgenes del tramo aguas abajo.

Espolones para favorecer los procesos de sedimentación.  Son efectivos cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de sedimentos en suspensión. Son estructuras permeables, cuyo objetivo es inducir la sedimentación en un tramo adyacente, aguas arriba de las obras. Pueden fallar por erosión en la punta del espolón o en el tramo inmediatamente aguas abajo.

Obras marginales de encauzamiento. Son obras que se construyen para encauzar una corriente natural hacia una estructura de paso, por ejemplo un puente, box-culvert, alcantarilla, etc. Deben tener transiciones de entrada y salida. En el diseño debe considerarse que estas obras de encauzamiento producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente incremento en la socavación del lecho.

Obras longitudinales de protección de márgenes contra la socavación. Son muros o revestimientos, suficientemente resistentes a las fuerzas desarrolladas por el agua. En algunos casos también deben diseñarse como muros de contención. Pueden fallar por mala cimentación, volcamiento y deslizamiento.

Acorazamiento del fondo. Consisten en refuerzo del lecho con material de tamaño adecuado, debidamente asegurado, que no pueda ser transportado como carga de fondo. Algunas veces la dinámica del río produce tramos acorazados en forma natural. El fondo acorazado es un control de la geometría del cauce. 

Protección contra las inundaciones. Son obras que controlan el nivel máximo esperado dentro de la llanura de inundación. Pueden ser embalses reguladores, canales adicionales, dragados y limpieza de cauces, o jarillones. Estas obras pueden ser efectivas para el área particular que se va a defender, pero cambian el régimen natural del flujo y tienen efectos sobre áreas aledañas, los cuales deben ser analizados antes de construir las obras.

Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes:

Concreto: ciclópeo, simple o reforzado. Gaviones, colchonetas. Piedra suelta, piedra pegada. Tablestacas metálicas o de madera. Pilotes metálicos, de concreto o de madera. Bolsacretos, sacos de suelo-cemento, sacos de arena. Fajinas de guadua. Elementos prefabricados de concreto: Bloques, hexápodos, etc.

El diseño de las obras combina varias disciplinas, Hidráulica Fluvial, Geotecnia y Estructuras. La primera, como ya se ha explicado, suministra la información básica que permite determinar las condiciones de cimentación y la magnitud de las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten.

4. HIDRAULICA FLUVIAL E INGENIERIA DE RIOS

La Hidráulica Fluvial combina conceptos de Hidrología, Hidráulica General, Geomorfología y Transporte de sedimentos. Estudia el comportamiento hidráulico de los ríos en lo que se refiere a los caudales y niveles medios y extremos, las velocidades de flujo, las variaciones del fondo por socavación y sedimentación, la capacidad de transporte de sedimentos y los ataques contra las márgenes.

Los diseños de las obras que se construyen en los ríos para suministro de agua, vertimiento de excesos, encauzamiento, protección del fondo y de las márgenes están dentro del campo de la Ingeniería de Ríos.

4.1 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS. El proceso de producción de sedimentos en las cuencas y su transporte por parte de las corrientes naturales es muy complejo. La cuantificación de los sedimentos para proyectos de Ingeniería se basa actualmente en mediciones y en la aplicación de métodos empíricos.

4.2 CORRIENTES NATURALES. Las corrientes de montaña tienen altas pendientes y gran capacidad de transporte de sedimentos; además, generan fenómenos importantes de socavación de fondo y de ataques contra las márgenes. En las corrientes de llanura también existen procesos de transporte de sólidos, socavación y ataques contra las márgenes en magnitudes relativamente moderadas; sin embargo, los depósitos de sedimentos que llegan de las partes altas y los aumentos de nivel por baja velocidad del agua inciden en los desbordamientos y en la inundación de zonas aledañas.

4.3 CONTROL DE INUNDACIONES. 

Las inundaciones son eventos que se presentan por desbordamiento en los tramos bajos de las corrientes naturales donde la pendiente del cauce es pequeña y la capacidad de transporte de sedimentos es reducida.

La definición de las zonas inundables está relacionada con el concepto de "ronda". Esta es una franja en la cual quedan incluidos el cauce mayor y una zona de seguridad. Por fuera de la "ronda" quedan las planicies que son potencialmente inundables durante las crecientes extraordinarias.

En la mayoría de los casos las inundaciones que son producidas por crecientes extraordinarias no pueden evitarse y entonces se procede a mitigar sus efectos mediante los métodos de Control de Inundaciones.

4.4. AVALANCHAS.  Aunque el término Avalanchas se refiere a los aludes de nieve, su nombre es utilizado comúnmente para designar los flujos de agua con lodos y detritos que ocurren en los cauces de los ríos como eventos extraordinarios por causa de sismos, erupciones volcánicas o lluvias intensas. Cuando las avalanchas se generan por erupciones volcánicas en picos nevados reciben el nombre de lahares. En los últimos años se han presentado en Colombia dos avalanchas catastróficas, el lahar del nevado del Ruiz en 1985 que sepultó la ciudad de Armero y la avalancha del río Páez ocasionada por un sismo en 1994 que afectó las comunidades de los departamentos de Cauca y Huila.

Aun cuando el término Avalanchas se refiere a los Aludes de nieve, su nombre es utilizado comunmente para designar los flujos extraordinarios de agua con lodos y detritos que ocurren en los cauces de los ríos por causa de sismos, erupciones volcánicas o lluvias intensas. Cuando una Avalancha es producida por una explosión volcánica se denomina lahar.

Los estudios hidráulicos de las avalanchas tienen dos objetivos principales:

Estimar caudales, velocidades y niveles máximos de flujo en diferentes puntos de control. Con esta información se pueden determinar áreas de desbordamiento, magnitud de los ataques contra las márgenes y zonas de depósito del material sólido.

Determinar tiempos de tránsito de los frentes de ola de la avalancha a lo largo de las corrientes principales de drenaje. Conociendo estos tiempos es posible establecer sistemas de alerta y programar medidas de evacuación en zonas de riesgo.

4.4.1 CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS LODOS. Hidráulicamente las avalanchas son flujos de lodo y detritos de alta viscosidad, compuestos por agua, coloides, arenas y piedras. El flujo de líquido y sólidos se puede tratar aproximadamente como el de un fluido newtoniano que está definido por dos características físicas: Densidad y Viscosidad. La densidad de los lodos está comprendida entre 1.0 gr/cm3 y 2.0 gr/cm3. El valor más bajo se aplica cuando el volumen de sólidos en la mezcla fluida es inferior al 20% del total; el más alto cuando esa relación es superior al 80%.

La viscosidad absoluta del agua clara a 20°C de temperatura es de 1 centipoise. En lodos muy espesos la viscosidad absoluta puede alcanzar valores próximos a 6000 poises.

Para el análisis hidráulico de los flujos de lodo se diseña un Modelo Matemático de Simulación que tiene las siguientes componentes:

1. Evento generador de la avalancha y tramo inicial de formación de los lodos.2. Tramo de transporte de lodos y de incremento del volumen de sólidos.3. Tramo de transporte y depósito de material sólido.4. Tramo final, de depósito de los sólidos.

(1) El evento generador puede ser un sismo, una erupción volcánica o una lluvia crítica (aguaceros intensos son los responsables de la mayor parte de los deslizamientos de taludes inestables). Dependiendo de las características físicas y geotécnicas de los taludes el evento "lluvia" que puede generar un deslizamiento tiene unas condiciones propias para cada caso particular. Esta lluvia que está asociada a un deslizamiento de determinada magnitud en un sitio particular se conoce como "lluvia crítica" y se define por su Intensidad, Duración y Frecuencia.

Un sismo puede generar un flujo de lodos cuando por causa del fenómeno natural se producen deslizamientos de las laderas en cauces naturales, y los materiales de dichos deslizamientos alimentan el caudal sólido de la corriente, o forman presas naturales que luego se rompen y producen olas de gran magnitud. Las características de las avalanchas dependen tanto de los volúmenes del deslizamiento como de la capacidad de las corrientes para transportarlos.

Los lahares son flujos de lodo y piedras que se originan cuando un volcán coronado con un casquete de hielo explota y produce un deshielo parcial o total del casquete. Dependiendo de las características de la explosión y del volumen del deshielo se genera un caudal líquido de cierta magnitud que corre hacia las corrientes superficiales de drenaje que se encuentran en la región. En su recorrido el caudal líquido atrapa material sólido y se mezcla con él, formando el fluido viscoso.

(2) El caudal que es producido por el evento que genera la avalancha fluye sobre el terreno; en su recorrido captura material suelto y comienza a formar los lodos. En estas condiciones el caudal total y la viscosidad se incrementan a medida que el flujo se acumula y se dirige hacia las corrientes principales de drenaje. Las corrientes principales de drenaje se definen

a partir de una sección de entrada cuya localización depende de las condiciones topográficas de la zona. En la sección de entrada se sintetizan las características del caudal en la forma de un hidrograma trapezoidal de entrada del flujo viscoso.

(3) Una vez que el caudal entra al cauce su comportamiento hidráulico queda definido por las ecuaciones de continuidad, energía y cantidad de movimiento en canales. Generalmente el primer tramo del canal es encañonado, de fuerte pendiente, y tiene gran capacidad de transporte. El tratamiento del problema puede ser sencillo o complicado, dependiendo de las simplificaciones que permitan los cálculos. La ecuación de continuidad debe contemplar tanto el aspecto variable del flujo como las ganancias de caudales sólido y líquido en aquellos tramos donde la socavación del lecho, los deslizamientos de los taludes y los aportes de tributarios sean importantes. La aplicación de la ecuación de energía incluye la determinación de gastos por fricción interna y por fricción entre el fluido y el contorno. El cambio en la cantidad de movimiento está relacionado con las fuerzas que ejerce el fluido sobre el contorno del cauce en razón de la fricción y de los cambios de dirección.

(4) A continuación del tramo de alta pendiente se presenta un tramo de transición en el cual la pendiente va cambiando de alta a media y luego a baja. En este tramo se combinan los procesos de transporte del flujo de lodos y de depósito inicial de material sólido. El tramo de entrega corresponde al tramo final de la corriente, donde la pendiente del cauce es pequeña, y desemboca en una planicie inundable que se prolonga hasta su entrega a un río o al mar. En la planicie inundable se deposita una parte de los lodos formando capas.

4.5 RESUMEN Y APLICACIÓN. La aplicación del hidrograma unitario en el cálculo de crecientes en cuencas homogéneas está muy difundida y tiene la ventaja de ser sencilla y razonablemente adecuada.  Una cuenca homogénea es la que tiene cuatro características típicas: Un cauce principal definido, pendiente uniforme del cauce y de las laderas, tipo y uso del suelo uniforme, y lluvias uniformemente repartidas sobre el área.  Estas características solamente se dan en microcuencas de montaña alta o en arroyos que nacen y descargan en terrenos planos; de resto, las cuencas de las corrientes naturales, quebradas y ríos, son cuencas no homogéneas.

El método que se expone consiste en dividir una cuenca no homogénea en “n” microcuencas homogéneas; a cada microcuenca se aplica el hidrograma unitario de manera convencional y se obtiene su hidrograma particular de creciente. Los hidrogramas particulares se transitan luego a lo largo de los tributarios y de la corriente principal utilizando un método de traslado y superposición; con este procedimiento se determinan hidrogramas de creciente a lo largo de los cauces de la corriente principal y de sus afluentes. El método permite la aplicación de lluvias individuales a las microcuencas particulares, o la aplicación de lluvias uniformes a zonas que tienen un régimen de lluvia semejante y que constan de varias microcuencas.  Este método ha sido elaborado por el autor durante varios años de investigación, trabajando con información de algunas cuencas que cuentan con buenos registros de lluvias y caudales, y con otras que tienen información apenas aceptable como es  de común ocurrencia en la mayor parte del país.  

El procedimiento analiza individualmente las microcuencas que conforman la cuenca de estudio, y permite determinar cuál es el aporte de cada microcuenca al caudal de la creciente que ocurre a lo largo de la corriente principal y cómo se desplaza el pico de creciente desde el nacimiento de la corriente hasta el punto de salida de la cuenca.

En los estudios de drenaje de aguas lluvias, protección de márgenes contra la acción de ríos,  proyectos de puentes, cruces subfluviales, y control de inundaciones es necesario conocer los caudales de creciente que se van a utilizar en los diseños de las obras civiles correspondientes. Estos caudales quedan definidos por los siguientes valores:  

Período de retorno          (Tr)

Caudal pico                    (Qp) Hidrograma de creciente

En algunos casos particulares, como en los estudios de puentes, es suficiente conocer Tr y Qp; en otros, por ejemplo en los diseños de embalses, es fundamental determinar además el hidrograma de creciente. Los métodos que se aplican al cálculo de las crecientes dependen de la calidad de la información disponible.  

Cuando existen registros confiables de limnígrafo en una estación hidrométrica localizada cerca al sitio determinado para el estudio entonces pueden hacerse análisis de hidrogramas para calcular picos de creciente de diferentes períodos de retorno y estimar sus correspondientes hidrogramas típicos. Si además se tienen registros adecuados de pluviógrafo en la hoya vertiente se pueden relacionar hidrogramas con pluviogramas para determinar el Hidrograma Unitario y el Indice de Infiltración de la cuenca en estudio, y estimar por métodos probabilísticos los picos de creciente y sus correspondientes hidrogramas para diferentes períodos de retorno. Desafortunadamente la mayoría de las corrientes naturales no cuentan con información suficiente para aplicar esta metodología y por esa circunstancia está generalizado el uso de métodos empíricos que utilizan relaciones lluvia-cuenca-caudal.  

El primero de los métodos empíricos es la Fórmula Racional que tiene aplicación en microcuencas homogéneas pequeñas en cálculo de obras de drenaje poco importantes. Su fórmula es sencilla y por eso se explica la vigencia que ha tenido, aunque últimamente está siendo reemplazada por otros métodos y su utilización está entrando en desuso:

Qp = C x i x A                           (1)

Donde: “i” es el factor de lluvia; “C, A” son factores de la microcuenca y “Qp” es el caudal pico.

El segundo método es el de los Hidrogramas Unitarios Sintéticos. En este caso la cuenca está representada por un Hidrograma Unitario (HU) que depende de la morfometría de la cuenca, por un Indice de Infiltración (F) y por un Caudal Base (Qb); la lluvia queda definida por cuatro factores: Intensidad (i), Duración (t), Hietograma y Tiempo de Retorno (Tr), y el Hidrograma de creciente es función de todos los factores:

Hidrograma = f ( HU,  F, Qb, i, t, Hietograma, Tr )

El método del Hidrograma Unitario es aplicable a microcuencas homogéneas que tengan áreas menores de 100 km2. Este límite de área, sin embargo, no es absoluto y aunque algunas veces el método se podría utilizar en áreas mayores no es aconsejable hacerlo: La condición de que la microcuenca debe ser homogénea es mucho más restrictiva que la de la magnitud del área. 

Una cuenca homogénea es la que tiene cuatro características típicas: Un cauce principal definido, pendiente uniforme del cauce y de las laderas, tipo y uso del suelo uniforme, y lluvias uniformemente repartidas sobre el área.  Estas características solamente se dan en microcuencas de montaña alta o en arroyos que nacen y descargan en terrenos planos; de resto, las cuencas de las corrientes naturales, quebradas y ríos, son cuencas no homogéneas. Por esta razón es posible encontrar microcuencas no homogéneas de 10 km2 de área, o microcuencas homogéneas de 50 km2 de área.  

Para aplicar el método del hidrograma unitario en el cálculo de crecientes de una microcuenca homogénea se necesita contar con la siguiente información:

Hietograma del aguacero que genera la creciente  Hietograma de Lluvia Neta Caudal base de la microcuenca Hidrograma unitario de la microcuenca El Hietograma del aguacero que genera la creciente se determina mediante análisis

convencionales de lluvias de corta duración, utilizando las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF).  

De acuerdo con la importancia de la obra se define la frecuencia del aguacero, la cual está representada por el período de retorno (Tr), En el diseño de presas grandes Tr puede ser de 10.000 años o mayor; en cambio en el diseño de obras de drenaje urbano Tr puede estar comprendido entre 10 y 25 años.  

La duración del aguacero (t) se estima con base en análisis de las duraciones de los aguaceros típicos que generan crecientes en la zona de estudio. Cuando no se tiene buena información al respecto se recomienda comenzar los estudios con una duración igual al tiempo de concentración  (tc) de la cuenca, t = tc, y luego repetir los análisis con otras duraciones hasta encontrar la que produce un pico máximo; esta duración se llama “duración crítica de la lluvia”.

Con los valores Tr, t se entra a las curvas IDF y se halla la intensidad máxima del aguacero (i). El volumen del aguacero (P) es: 

P = i . t                   (2)

Por último, la duración (t) se divide en k intervalos iguales y a cada uno de ellos se asigna una parte de la lluvia total (P), de acuerdo con el patrón de comportamiento de las lluvias de corta duración en la región. Así se obtiene el Hietograma del aguacero que genera la creciente. En aquellas microcuencas en las que la duración (t) es menor de 1 hora es suficiente utilizar un hietograma sencillo, con k = 1.

El Hietograma de Lluvia Neta se determina restando al Hietograma del aguacero las pérdidas que ocurren por Intercepción, Infiltración y Evapotranspiración. Para calcular las pérdidas se pueden realizar análisis de hidrogramas si existe suficiente información, aplicar fórmulas empíricas como las que presenta el Soil Conservation Service de los Estados Unidos, o emplear Tablas experimentales.

En la mayoría de los eventos de crecientes se presentan lluvias anteriores al aguacero principal, y por esta razón las pérdidas por intercepción y por infiltración temprana no se consideran cuando se calcula la lluvia neta.

En estas condiciones, la lluvia neta (Pe) se puede calcular a partir de la lluvia total (P):

Pe  = C  P               (3)

Donde: C es un coeficiente cuyo valor varía entre 0 y 1, y está compuesto de los siguientes factores:

C1 = Factor de pendiente del cauce y de la ladera. A mayor pendiente menor altura de la lámina de

agua del flujo de ladera y menor capacidad de almacenamiento distribuido en la microcuenca.C2 = Factor de tamaño del área vertiente. Para un aguacero particular, a medida que el área

vertiente aumenta la precipitación media sobre el área disminuye.

C3 = Factor de tipo y uso del suelo en relación con su capacidad de infiltración.

C = C1 x C2 x C3

En las Tablas 1 a 3 se presentan algunos valores típicos de los coeficientes para microcuencas  rurales, advirtiendo que se trata de valores generales. En cada caso particular, sin embargo, debe realizarse un análisis cuidadoso de las condiciones de la microcuenca antes de tomar una decisión sobre los valores de los coeficientes.

Tabla. Factores de pendiente para microcuencas rurales

Tipo de cuenca Alta pendiente Media pendiente Baja pendiente

Pendiente cauce (m/m)

0.050 a 0.500 0.005 a 0.050 Menor de 0.005

C1 0.35 a 1.00 0.20 a 0.35 < 0.20

Tabla. Factores de área

Area (km2) 0 a 10 10 a 25 25 a 200

C2 1.00 a 0.93 0.93 a 0.85 0.85 a 0.50

Tabla. Factores de suelo

Tipo de suelo Impermeable Semipermeable

C3 0.90 a 1.00 0.60 a 0.90

El Hidrograma Unitario es una síntesis de las características morfométricas de la microcuenca, y representa la respuesta de la microcuenca a la aplicación de una lluvia neta unitaria. Para efectos de este trabajo la lluvia neta unitaria tiene una duración “t”, definida previamente, y tiene un volumen de 1 milímetro repartido uniformemente sobre el área.

Cuando existe adecuada información hidrológica el Hidrograma unitario de la microcuenca se determina por medio de análisis de hidrogramas. En caso contrario es preferible aplicar los Hidrogramas Unitarios sintéticos; entre estos últimos están, entre otros, los de Snyder, de Clark o  del Soil Conservation Service.

El Caudal base de la microcuenca es un valor que representa el aporte del agua subterránea al hidrograma de la creciente. Su determinación se realiza analizando las curvas de recesión de los hidrogramas históricos, si existen, o aplicando Tablas empíricas. En cuencas de alta pendiente, o en aquellas de suelos semipermeables a impermeables el valor del Caudal base es despreciable en comparación con el pico de la creciente.

Una vez que se ha procesado la información anterior se aplica el Hietograma de Lluvia Neta al Hidrograma Unitario para obtener el Hidrograma de Escorrentía de la Creciente. Por último, se suma el Caudal base al Hidrograma de Escorrentía y se obtiene el Hidrograma de la creciente.

Una vez que se ha procesado la información anterior se aplica el Hietograma de Lluvia Neta al Hidrograma Unitario para obtener el Hidrograma de Escorrentía de la Creciente. Por último, se suma el Caudal base al Hidrograma de Escorrentía y se obtiene el Hidrograma de la creciente.

El pico de creciente de la microcuenca homogénea de montaña (quebrada Ramírez), utilizando el hidrograma unitario triangular (HU) del SCS, con la siguiente información:

Area vertiente: A = 1.950 km2

Longitud del cauce principal: L = 3.100 kmPendiente del cauce: S = 0.190 m/mPendiente de ladera: R = 0.250 m/mTipo y uso del suelo: Conglomerado con finos limoarcillosos y pastos.Tiempo de concentración: tc = 18 minutosFrecuencia del evento: Tr = 50 años Duración del aguacero: t = 60 minutos Intensidad máxima (de IDF): i = 47,8 mm/h (Coeficiente Intensidad Horaria = 40)

Cálculos

Tiempo al pico del HU (tp): 47,80 min

tp = (t/2) x ( 0,6 x i )

tp t i58.68 60.00 47.80

Tiempo base del HU (Tb): 156,48 min

Tb = (8/3) x tp

Tb tp156.48 58.68

Caudal pico del HU (Qp): 2,56 m3/seg/mm

Qp = 12 / ( 1,8 x ( tp/60 ))

Qp Tb2.56 156.48

Coeficiente (C): 0,36C C1 C2 C3

0.36 0.50 0.95 0.75

Factor de pendientes (C1) Factor de área (C2)Factor de suelo (C3)

Lluvia total (P): 47,8 mm

P = i x (t/60)

P i t47.80 47.80 60.00

Lluvia neta (Pe): 17,03 mmPe  = C x P

Pe C P17.03 0.36 47.80

Pico de creciente (Q): 43,53 m3/seg

Q = Pe X Qp

Q Pe Qp43.53 17.03 2.56