mecánica de fluidos

1. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
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PROTECCIÓN DEL LECHO DE UN RÍO EN OBRAS DE CAPTACIÓN
CASO DE APLICACIÓN: BOCATOMA HUACHIPA
Castro Inga, Luis Fernando1, 2
Montenegro Gambini, Julio Isaac1, 2
(1)(2) Posgrado,
(1)(2) Área
Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería
de Ingeniería. Laboratorio Nacional de Hidráulica. Av. Túpac Amaru 210. Lima 25. Perú. Teléfonos:
(51) (1) 481-1991 / 481-1920
lfcastro@uni.edu.pe, jmontenegrog@uni.pe
Introducción
Los ríos han producido grandes daños en la humanidad, pero
esto se debe a que no se respeta sus llanuras, cauces; Se
construye una serie de obras hidráulicas como: Puentes,
bocatomas, etc. La bocatoma que se investigara tiene una
problemática muy especial pues es una bocatoma diseñada
con un flujo supercrítico producto de la fuerte pendiente que
tiene, La construcción de obras de toma representa una
alteración de las condiciones normales de escurrimiento, y por
lo tanto deben esperarse cambios fluviomorfológicos
importantes como erosión y sedimentación.La Bocatoma
Huachipa que constituye la obra de cabecera de un proyecto
de abastecimiento de agua para la Zona Norte de
Lima.Cuando se emplea una bocatoma del tipo barraje mixto,
gran parte del caudal pasa por el barraje móvil durante los
eventos extremos. Esto conlleva a una concentración de flujos
(mayores a los flujos que ocurren en forma natural) aguas
abajo del barraje móvil.
plantean soluciones con modelos idealizados, lo que permite
simplificaciones importantes, que a su vez causan efectos que
deben ser valorados mediante ensayos experimentales. El
empleo simultáneo de ambas técnicas de investigación permite
obtener mejores resultados ya que el modelo matemático
toma los resultados del modelo físico y viceversa, de modo
que esta interacción nos lleva a acercarnos al comportamiento
real del fenómeno analizado.
Figura 2. Panorama de encañonamiento en el lecho aguas abajo
de la poza disipadora en el prototipo
Objetivos
Figura 1. Bocatoma Huachipa emplazada en el Río Rímac
Si el lecho del río está constituido por material erosionable
como: arenas, limos, gravas etc. que en condiciones naturales
resiste el paso del flujo disperso sobre todo el lecho, es de
suponer que al concentrarse el flujo sobre una margen, se
producirán desequilibrios que llevaran a la incisión del cauce.
Las medidas como las distancias, velocidades, tirantes, etc. se
escribirán primero en las medidas del modelo y al costado
entre paréntesis se incluirán las medidas que representan en el
prototipo.Muchos de los fenómenos que ocurren en la
naturaleza y sobre todo dentro del campo de la hidráulica, son
tan complejos que no es suficiente tratarlos únicamente con
métodos matemáticos, por lo que es conveniente recurrir al
empleo de técnicas experimentales. Los modelos matemáticos
El objetivo esencial que se tiene es proteger la bocatoma
sección aguas abajo frente a la erosión con estructuras de
enrocado dispuestas transversal y longitudinalmente en el
cauce. . Jiménez y Bateman (2006) señalan que las traviesas
“son estructuras que se colocan enterradas en el lecho del
curso fluvial dispuestas perpendicularmente a la dirección del
flujo, de orilla a orilla y con cota de coronación apenas
superior a la cota del fondo del río. Suelen trabajar en
conjunto y su objetivo es ralentizar el descenso de cota del
lecho debida a la erosión general” .Además es discutible la
necesidad de colocar una cama de enrocado de transición
aguas abajo de la poza disipadora del barraje móvil para
dispersar el flujo por todo el ancho del lecho, evitando su
incisión. En este trabajo se describirá los ensayos realizados
para la protección del lecho mediante en varias secciones del
río. La Bocatoma Huachipa se encuentra emplazada sobre el
río Rímac, que es un río de fuerte pendiente con un régimen
supercrítico, siendo esta pendiente de 3.23% en el tramo
Chosica – Océano Pacifico.El caudal de diseño es de 580 m3/s
correspondiente a un periodo de retorno de 1000 años
determinado mediante métodos probabilísticos a partir de
caudales máximos instantáneos.

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Aspectos teóricos
Es importante definir claramente que “erosión” significa la
pérdida o remoción de material del lecho producida por una
alteración de las condiciones de equilibrio del río, según Vide
(2000) señala que la erosión en un cauce es el descenso del
fondo (o el retroceso de las orillas) como consecuencias de
fenómenos de dinámica fluvial naturales o realizados por el
hombre. Cabe distinguir la erosión general de la erosión local,
esta primera puede explicarse por la acción de un flujo de agua
caracterizado simplemente por una velocidad media. Afecta a
tramos largos del cauce y sería la única o primordial en un
cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad. La erosión
local del fondo se explica por la acción de un flujo complejo,
que en una sección de la corriente (vertical, horizontal)
requerirá una descripción bidimensional de las velocidades, se
presenta asociada a singularidades como obstáculos.
Por otra parte, “equilibrio” implica que el perfil del lecho es
estable, la cantidad de partículas erosionadas es igual a la
cantidad de partículas sedimentadas y las cotas de fondo
permanecen invariables. El concepto de equilibrio se
encuentra expresado en la relación de Lane (1955) propuso
tener en cuenta 4 variables: el caudal liquido, el caudal sólido,
la pendiente (i) y el tamaño de sedimento (D) y las dispuso en
la analogía de una balanza:
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Los puntos fijos condicionarían el descenso, quedando poco a
poco como puntos más sobresalientes, mientras aguas abajo
aparecerá un salto. Este descenso o erosión general aguas
abajo es una amenaza directa a la traviesa y también es una
amenaza indirecta porque el mayor desnivel del salto de agua
agravará la erosión local. En definitiva, la traviesa limita la
extensión de la erosión a largo plazo, más que impedirla, pero
también se ve amenazada por ella. La pendiente entre tramos
limitados por traviesas parece ser directamente proporcional a
la distancia entre traviesas. Esta propiedad resta eficacia a
poner las traviesas muy juntas pues de todos modos el salto
será mayor del esperado.
La variable de más influencia en reducir la erosión sería la
distancia entre traviesas. Esto es también exactamente así en
las erosiones discutidas anteriormente, pero teniendo en
cuenta el efecto adverso indicado, de modo que el
espaciamiento de una serie de traviesas se convierte en el
parámetro ingenieril más importante (según la figura 3), en la
función y también en el costo.
Figura 5. La pendiente del cauce es transformada al intercalar las
traviesas
El cauce de aguas bajas puede ser guiado al centro del cauce
mayor si cada traviesa es un poco más baja en el centro, con
esto el cauce de aguas bajas no alcanzara a los encauzamientos
y no habrá erosión lateral. En conclusión, El papel de una
traviesa en situación de avenida no es claro: la traviesa como
punto fijo podría ser simplemente una reprensión al descenso
de fondo sobre todo si imaginamos un grupo (batería) de
traviesas.
Cuando la traviesa sobresale del cauce no debe
confundirse con una presa de retención de sólidos o dique
torrencial, ya que el volumen de sólidos contenido por la
traviesa es insignificante.
Figura 3. Analogía de la balanza de Lane (1955)
Podemos aceptar que una batería de traviesas, siempre que
resista, es un lugar no erosionable en el río. Cuando decimos
que una traviesa protege, implícitamente admitimos que el
lecho contiguo a la traviesa se mantiene a cota fija, a la misma
de la traviesa. Así deducimos que la traviesa impide la erosión
(ver figura 2). Ahora bien, esto sólo es razonable aguas arriba
de la traviesa. Aguas abajo, muy al contrario, se desarrollará
un efecto inducido por la obra llamado erosión local.Pero,
además, la traviesa impide aguas arriba sólo la erosión a largo
plazo y la de las aguas bajas. A largo plazo, el perfil
longitudinal de un río con tendencia a la erosión sería
simplemente más bajo.
Figura 4. Papel desempeñado por las traviesas en un proceso de
erosión lenta, que llevaría el fondo a la línea discontinua.
Para las otras funciones conviene que no sobresalga del cauce,
o incluso que esté enterrada, de modo que limite la erosión
suficientemente pero al tiempo permita un cierto descenso
transitorio del fondo. Los umbrales de fondo o barrera
sumergidas en ríos grandes se usan contra la erosión del lecho
y también para modificar o regularizar la posición de los
fondos.
Martín Vide y Del Agua (1994) ha desarrollado estudios sobre
erosión local en traviesas para la protección de cauces a partir
de éstos, Bateman (1995) analizó la influencia del talud de
aguas abajo de la traviesa y de la profundidad de coronación
de ésta en la erosión local. Estos autores realizaron numerosos
ensayos en aguas limpia sin sedimentos y han concluido en
que el factor más importante para la erosión es el régimen
hidráulico mientras que la geometría de la estructura apenas
influye. También observaron que para el resalto anegado se
obtiene mayor erosión (hasta 4 veces el salto provocado con la
traviesa en el momento de su colocación) y un foso menos
alargado en contraposición a lo que ocurre cuando el resalto es
ondulado. A su vez, Bateman (1999) estudió la distancia y el
desnivel entre traviesas consecutivas.

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En estos experimentos se comprobó que tanto la evolución
temporal del fenómeno como la erosión del foso aguas abajo
de la estructura dependen del régimen hidráulico y que a su
vez éste está condicionado por la propia estructura y sobre
todo por la altura relativa entre la base de la traviesa y la cresta
de la duna generada inmediatamente aguas abajo del foso.
Otras conclusiones importantes que se extrajeron de este
estudio es que la erosión máxima del foso depende de la
pendiente entre traviesas y que existe relación entre el foso de
erosión y el perfil de equilibrio aguas abajo.
Problemática
En el ensayo con lecho móvil se observó que el cauce en la
margen derecha empezó a erosionar. Producto de las altas
concentraciones de velocidad lo cual intensificaban los
esfuerzos cortantes y estos a la vez arrastraban las partículas
del fondo.La protección de estructuras construidas en cauces,
como las bocatomas no son descritas en su totalidad, pues
requieren de investigación detallada. Un método sería
observando los fenómenos morfológicos en un modelo físico,
analizando lo que podría pasar y su similitud en la realidad.
Las diversas maneras de proteger el lecho de un río es: usando
vegetación; traviesas de escollera, enrocado en el fondo del
cauce, etc.
Figura 6. Descensopresentado en el Modelo Físico - lecho sin
protección
Esto se observa desde las pruebas con los caudales más bajos,
es decir a partir de 1.98 L/s (20 m3/s). Posteriormente, cuando
el caudal aumenta por encima de 12.85 L/s (130 m3/s), se
produce rebose del barraje fijo y el agua empieza a fluir sobre
la margen izquierda. Debido a que el fondo del río ha
descendido en la margen izquierda, entonces el caudal tiende a
concentrarse sobre el canal profundizado, aumentando aún
más el caudal unitario y produciéndose un descenso acelerado.
Hasta la prueba de 29.65 L/s (300 m3/s) sin incorporar
sedimentos, el cauce desciende aproximadamente 3.25 cm (1.3
m).
Figura 7. Formación del canal piloto en la margen derecha aguas
abajo en el modelo físico.
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A partir de la prueba de 46.45 l/s (470 m3/s) se presentaron
velocidades mayores a 0.63 m/s (4 m/s) además el lecho
desciende hasta tocar fondo además la socavación para la
prueba de 470 m3/s, calculada con valores medios diarios, se
encuentra en el orden de 10 cm (4 m). Mayores caudales
provocarían un descenso aún mayor.
El canal piloto llego a tener un ancho medio de 150 cm (60 m)
y la erosión máxima fue de 0.127 m (5.10 m), formándose
induce a la concentración de esfuerzos cortantes en parte de la
sección transversal, lo que se extiende en dirección aguas
abajo y también podría extenderse en dirección aguas arriba lo
que puede dañar la bocatoma.
En la Figura 1, se puede apreciar que para el paso del caudal
máximo registrado hasta el momento desde cuando empezó a
funcionar la bocatoma fue de 112 m3/s parte del enrocado o
rip-rap ubicado aguas abajo de la poza disipadora fue
desplazado con facilidad.
Además se observó erosión
profunda en la margen derecha debida a las altas velocidades y
presiones fluctuantes que se generan en flujos
macroturbulentos aguas abajo de disipadores o resaltos
hidráulicos.
Figura 8. A caudales más frecuentes ya se ha formando el canal
piloto en el prototipo del cauce aguas abajo de la bocatoma
Huachipa
Lopardo (2005) señala que es necesario tomar en
consideración los parámetros del flujo fluctuante para una
adecuada definición de los enrocados estables de protección
en zonas fuertemente solicitadas por acciones fluctuantes
aguas debajo de disipadores de energía. Es por este motivo
que se siguió su metodología para colocar un enrocado de
transición aguas abajo de la poza disipadora de energía del
barraje móvil. Para los ensayos del lecho móvil con y sin
incorporación de sedimentos, aguas abajo de la bocatoma se
presentó una incisión en la margen derecha, tal como lo
muestra la Figura , formándose una incisión profunda del
cauce, al que llamaremos encañonamiento.
La erosión puede producirse de modo natural, con la corriente
como agente geológico de erosión, o es posible que la cause el
hombre, como sucede cuando se encauza la corriente, que trae
como consecuencia un aumento del caudal unitario, aumento
de los esfuerzos cortantes o la reducción del aporte de
sedimentos en un tramo, como ocurre aguas abajo de una
bocatoma. El lecho puede descender considerablemente por la
erosión.

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Modelo Matemático
Para revalorar los procesos de erosión y sedimentación del
lecho del río Rímac, en el tramo donde se emplazará la obra
de la bocatoma seaplicó el modelo CCHE2D basado en el
equilibrio de transporte de carga de lecho de materiales
uniformes, que integra numéricamente las ecuaciones del flujo
no permanente y del transporte de sedimentos en forma no
acoplada, utilizando relaciones constitutivas turbulentas y
aplicando una variante del método de elementos finitos. El
modelo resuelve las ecuaciones hidrodinámicas nopermanentes y bidimensionales del flujo de agua en el cauce
del río, utilizando relaciones constitutivas turbulentas y
aplicando una variante del método de elementos finitos, la
cual es el método de elementos eficientes.
En base al campo de velocidades determinado en el dominio
computacional, integra en la profundidad del flujo la ecuación
de convección-difusión para el transporte de sedimentos en
suspensión, y la ecuación de continuidad para los sedimentos
de arrastre de fondo. Una descripción detallada del modelo se
presenta en los trabajos de Duan y Wang (2002) y Zhang
(2005).
Figura 9. Malla generada en CCHE2D-MESH para el análisis
hidródinámico
La información hidrológica y sedimentológica básica para el
modelamiento, se obtuvieron de informes técnicos para el
proyecto de la Bocatoma Huachipa. Se utilizó el hidrograma
de caudales medios mensuales correspondientes a los meses
de Diciembre a Abril del periodo de años 1987-2007 para el
análisis en flujo no permanente y los caudales históricos
calculados estadísticamente para el análisis durante avenidas
extraordinarias. El lecho del río Rímac se caracteriza por el
predominio de materiales gruesos con granulometría extendida
que varían desde arenas, gravas, piedras, cantos rodados y
bolonería.
Las simulaciones de la evolución temporal del lecho del cauce
se realizaron para escenarios sin proyecto y con proyecto. Los
resultados de las simulaciones sin proyecto, muestran un
incremento en el tiempo de la variación del lecho,
concentración de velocidades, esfuerzos cortantes y
predominio del proceso de erosión en zonas localizadas del
lecho aguas abajo del eje de la presa (Figura 10). En las
simulaciones del escenario con proyecto, la presencia de la
presa derivadora dentro del lecho altera sustancialmente el
campo de velocidades y el proceso de la evolución temporal y
natural de la configuración del lecho del río.Aguas arriba de la
presa derivadora, se produce el proceso de sedimentación, que
transforma lecho, reduciendo su sección hidráulica. En aguas
abajo, se toman los resultados de las erosiones presentes.
Figura10. Concentración del campo de velocidades en la margen
derecha de la Bocatoma Huachipa (Hidrograma de 20 años)
Los resultados de las simulaciones en el escenario con la
bocatoma nos muestran que el diseño del aliviadero de
compuertas tendría un funcionamiento hidráulico apropiado
con capacidad para la evacuación de los sedimentos de
fondoEn la salida de los canales del aliviadero e inicio de la
rápida de ingreso a la poza disipadora, las velocidades del
flujo alcanzan velocidades altas (de 8 m/s a 9.5 m/s). En la
poza disipadora se reducen las velocidades por la formación
del resalto hidráulico ahogado (por debajo de 1.5 m/s),
aumentando las velocidades después de la salida de la poza
disipadora (de 2 m/s a 5 m/s)
La evolución temporal de la variabilidad del perfil
longitudinal del lecho con proyecto (5, 10, 15 y 20 años)
presenta zonas localizadas de erosión creciente con el tiempo
que alcanzaría hasta una profundidad de 1 m en 20 años. Si
comparamos con los resultados de la socavación general
calculado con el métodos convencionales en el mismo tramo
del río Rímac, se observa una profundidad de socavación de
4.5 m para una avenida con periodo de retorno de 1000 años
(caudal máximo de 580 m3/s).
Metodología
Para controlar la erosión general de manera eficaz se
construyó una serie de traviesas de enrocado o escollera y
una cama de enrocado en transición (Figura 11). El modelo
utilizado en esta investigación es un modelo de lecho móvil de
escala 1/40, en el que se observan los procesos de erosión y
sedimentación longitudinal y transversal. Las orillas y las
planicies se del río se modelaron como rígidas.
Las velocidades presentadas aguas abajo de la poza disipadora
del barraje móvil llegaron hasta 5 m/s y los tirantes
conjugados presentados en el modelo fueron del valor de 2.40
m hasta 3 m, medidas en prototipo sin protección (LNH,
2010).Una vez definido estos parámetros se ingresa al
diagrama que propuso Lopardo (2005) resultando un diámetro
estable ds = 2.0 m.La longitud que se calculó fue tomada del
criterio usado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados
Unidos donde la longitud del rip rap es de diez veces el tirante
conjugado aguas abajo.

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Este cálculo dio como resultado 30 m (desde la progresiva
0+810 - 0+840) generando una transición gradual de
enrocado.
Figura 12. Diagrama de Fuerzas y de partículas en estudio según
estabilidad de momentos (Stevens y Simons 1971)
Los datos fueron calculados con el modelo físico y algunos
con los modelos computacionales tales como: HEC-RAS 3.1.1
y CCHE2D, resultando un diámetro representativo de d= 1.45
m. Se tomó una pendiente para las traviesas de 2%, las
longitudes de los espaciamientos fueron de 2.25 m (90 m), 1.5
m (60 m) y 1.5 m (60m).
Experimentación
Figura 11. Propuesta para protección ante incisión del lecho aguas
debajo de la bocatoma
Las traviesas de escollera fueron diseñadas tomando en cuenta
el método de estabilidad de momentos (Stevens and Simons
1971) donde señala que las condiciones de umbral se
producen cuando los
momentos de las
fuerzas
hidrodinámicas que actúan sobre un equilibrio una sola
partícula resiste los momentos de la fuerza. La relación de los
momentos resistentes entre los momentos de generación de
movimiento (actuantes), se define a través de dos factores de
estabilidad.
La figura 12 ilustra las fuerzas que actúan sobre una partícula
sin cohesión descansa sobre un talud con un ángulo Θ1, y un
ángulo de Θ0 aguas abajo. Esas son las fuerza de sustentación
FL, la fuerza de arrastre FD, la fuerza de empuje FB y el peso
de la FW de partículas. Siempre y cuando el ángulo de
inclinación de la superficie de agua en la dirección aguas
abajo es pequeño, a la fuerza de empuje puede ser restada del
peso de la partícula para dar el peso sumergido de la partícula
FS = FW-FB.
La fuerza de sustentación se define como la fuerza del fluido
normal al plano del talud y la fuerza de arrastre está actuando
a lo largo del plano en la misma dirección que el campo de
velocidades alrededor de la partícula.Las variables de diseño
fueron: Esfuerzo cortante 0=506.48 N/m2, el ángulo de
reposo =40º, el ángulo del talud 1=27º, la pendiente
longitudinal S=0.02 m/m, el ángulo de las líneas de corriente
=0.
El estudio experimental se ha realizado en un modelo físico en
el Laboratorio Nacional de Hidráulica “Alfonso Alcedán la
Cruz” de la Universidad Nacional de Ingeniería. Se usó una
escala no distorsionada de longitudes 1/40. El LNH cuenta
con un área total de 17 000 m2, de los cuales 12 000 m2 se
destinan para pruebas en modelo hidráulico. El modelo físico
es abastecido desde una cisterna de 120 m3 de capacidad por
medio de 4 bombas centrífugas que pueden impulsar en
conjunto hasta 700 l/s a un tanque elevado de 5 m3 de
capacidad.
Todo este caudal regresa a la cisterna por medio de un sistema
de canales de retorno. La tubería de alimentación que
transporta agua desde el tanque elevado al modelo es de acero
de 355,6 mm (14”) de diámetro interior, terminando en la
alimentación a un tanque de albañilería, el cual está provisto a
la salida de un vertedero triangular de bronce de 90º con un
limnímetro de gancho marca Neyrpic, que permite medir
niveles de carga de agua sobre el vertedero con ± 0,1 mm de
precisión.
Después de terminado el “Estudio en modelo físico y
matemático de la bocatoma Huachipa en el río Rímac” LNH
(2010), los trabajos para esta investigación empezaron con la
colocación del lecho móvil, que consistió en depositar el
material tamizado, modelando la granulometría del lecho del
río Rímac (Figura 13), sobre la superficie de concreto se
empezó calculando la cota de piso en cada punto de las
secciones transversales donde la curva de nivel las
intersecaba. En estas ubicaciones, se colocó un stobolt (esto
es un cilindro, hueco en su interior que puede enroscarse sobre
un pequeño tornillo que se colocaba en el piso de concreto).

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Figura 13. Selección del material del Lecho y Enrocado
La altura se calculaba restando la cota de piso (prototipo) de la
cota requerida (prototipo) y dividiéndola entre 40 (escala). Se
calculó la distribución granulométrica del material de lecho a
escala. Verificándose ésta distribución se procedió a instalarlo
en el lecho móvil.
Figura 15. Experimentación en el lecho con cama de enrocado en
transición y traviesas
Para la T2V-1+020 presento un resalto hidráulico cuya
longitud fue de 50 cm (20 m), repartido uniformemente en una
longitud de 1.30 m (52 m) paralelo a la longitud de la T2V,
con un tirante conjugado de 4 cm (1.6 m) en la margen
derecha (distancia medida desde la margen derecha hacia el
eje del río), presentando sedimentación en la parte central del
cauce, continuando con 1 m (40 m) de espejo de agua.
En la T3C-1+080 por ser una traviesa completamente
sumergida (nivel coincide con el perfil del terreno) no
presentó un resalto. En toda su longitud transversal se
evidenció un espejo de agua. En la margen derecha se observo
un espejo de agua de 1 m (40 m) de longitud y en la margen
izquierda se midió 1.40 m (56 m) de espejo de agua.
Figura 14. Disposición de la bocatoma vista aguas arriba
Para el caudal de 9.88 l/s (100 m3/s), se inicio los ensayos el
día viernes 25 de febrero del 2011 siendo a las 9:40 am, todos
los ensayos duraron 8 horas (Figura 15). Siguiendo las
descripciones generales mencionadas arriba, se puede
visualizar que la zona de la margen derecha del cauce aguas
abajo es la primera que sufre inundación, se vertió
permanganato de potasio (Figura 16) para visualizar las líneas
de corriente y corroboraron que la concentración del flujo es
mayor en la margen derecha, aunque también se registra
flujos en la margen izquierda. El flujo es evacuado en su
totalidad por el barraje móvil, haciendo que el flujo pase por la
transición de enrocado de manera ondular debido al cambio
busco de rugosidades. Una vez pasado esto el nivel del agua
incrementa hasta poder superar la corona de la T1-R.
El flujo se detuvo en la T1R-0+930 (que tiene una cota de
coronación sobresalida) hasta esparcirse parte de la masa de
agua por todo el ancho del cauce presentando un resalto
anegado transitorio, Bateman et al (2000) señalan que este
cambio de rápido a lento produce un resalto móvil que viaja
desde la duna hasta la traviesa donde choca para disipar la
energía y desaparecer por completo. El lecho comienza a
descender y cuando la traviesa emerge el flujo nota el desnivel
y sin despegarse del fondo el lecho aguas abajo de la traviesa
se socava, el flujo se deprime acelerándose, cosa que lo hace
más erosivo. Se midió la longitud del resalto en la margen
derecha y tenía un valor aproximado de 30.20 cm (12.0 m)
pero conforme este avanzaba hacia la parte central (paralelo a
la longitud de la traviesa) disminuía.
En la T4-B 1+140 algunas rocas pertenecientes a la traviesa
fueron desplazadas, presentándose una gran erosión local
aguas abajo. En la parte central del cauce los materiales finos
se sedimentaron. Desde el tramo 1+140 hasta 1+280 en la
margen derecha se presenta un gran erosión formándose un
canal piloto de ancho promedio de 25 cm (10 m).
Para el ensayo con el caudal de 17.79 l/s (Qp=180 m3/s) se
pudo visualizar que la zona de la margen derecha del cauce
existen velocidades mayores. En la zona de la transición se
puede observar que el flujo se presenta de una forma ondulada
producto de la rugosidad del lecho. Se observó que el
enrocado sufrió un desplazamiento de 27 cm (10.80 m). Si se
compara el lecho original con el lecho ensayado se tiene una
sedimentación de 3.6 cm (1.44 m) las partículas sedimentadas
son muy pequeñas (En la parte central).
Aguas debajo de la T1R se pudo apreciar que comenzó a
crecer la erosión. Incluso se movieron algunas partículas del
enrocado de la T1R, desplazando un enrocado de 30 mm
(1.20 m) y 20 mm (8 m) depositándolos en el foso de erosión.
En la segunda traviesa no se observó ningún desplazamiento
de las rocas que conforman la escollera, el flujo se esparció
casi en un 90 % en su longitud transversal de la traviesa
presentado una erosión de 40 cm (16 m). En la parte central
del cauce se evidencio tirantes muy pequeños con velocidades
muy pequeñas generando una sedimentación de 540 mm
(21.60 m). La tercera traviesa funcionó totalmente sumergida
en toda su longitud el flujo.
Para el Caudal de 29.65 l/s (Qp= 300 m3/s) En el enrocado de
la transición las partículas que lo conforman empezaron a
vibrar presentando volteo.

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En la T1R se generó un resalto anegado estable que se
caracteriza por la entrada de un chorro que ingresa en la masa
de agua con ángulos grandes respecto de la horizontal. Se
presentaron desplazamientos de rocas de la traviesa de 16 cm
(6.40 m).
Resultados Globales
La protección con traviesas de escollera arrojaron muy buenos
resultados para el control de la erosión general aguas abajo de
la Bocatoma Huachipa, la máxima erosión fue de 3.125 cm
(1.25 m). Las traviesas de escollera y la transición de enrocado
controlaron la erosión progresiva y regresiva. La evolución de
la pendiente del lecho fue lenta (Tabla 1).La pendiente entre
los tramos de traviesas fueron variables en los diferentes
perfiles longitudinales del lecho fluvial, observando que los
perfiles longitudinales de la margen derecha son los más
notorios donde siguió ocurriendo erosión y sedimentación.
Tabla 1. Pendiente entre traviesas en la margen derecha del lecho
Pendiente entre los tramos
Caudal
T4BT1R-T2V
T2V-T3C
T3C-T4B
Lecho
100 m3/s
0.0159
0.0253
0.0096
0.00846
180 m3/s
Para el ensayo con el caudal de 46.45 l/s (Qp=470 m3/s), la
granulometría del foso de erosión de las traviesas presentan
casi un diámetro uniforme. Para la T4B se presenta un resalto
mucho mayor que el de los ensayos anteriores, ocurriendo
erosión aguas abajo de la traviesas. Aguas abajo de la T2V el
máximo desplazamiento registrado fue de 42 cm (16.80 m).
También se puede observar que en la parte central del cauce
se presenta sedimentación y en el extremo izquierdo presenta
una erosión considerable. En el tramo 1+140-1+280 la
formación del canal piloto (figura 7) en la margen derecha
presento una erosión máxima de 30 cm (12 .0 m) con un
ancho de 33 cm (13.20 m).
El último caudal de 57.52 l/s (Qp=580 m3/s). En la progresiva
0+780 en la margen izquierda se midió una erosión máxima de
6 cm (2.40 m). Tanto para la T1R y T2V ocurre una gran
erosión aguas abajo (margen derecha) alcanzando una erosión
del foso la cimentación de las traviesas. Para la T1R
ocurrieron desplazamientos de rocas de la traviesa de 1.6 m
(64 m). Así también se puede apreciar que en muchas rocas
que constituyen la traviesa de escollera están depositadas en el
foso de erosión. En este tramo el valor máximo de erosión
general medido es de 1.80 cm (0.72 m). Si comparamos el
lecho original y el lecho después del ensayo de 46.45 l/s (470
m3/s) con el ensayado actual podemos observar que la erosión
general ha incrementado muy notablemente.
0.0115
0.00910
0.0137
0.0178
0.0161
0.0114
0.0154
470 m3/s
Figura 16. Vertido de trazador a base de permanganato de potasio
(KMnO4) a través del barraje móvil
0.0246
300 m3/s
0.0323
0.00577
0.0137
0.0400
580 m3/s
0.0208
0.00484
0.0169
0.5900
En el enrocado de transición se detectó movimiento para el
caudal de 29.65 l/s (300 m3/s). En 0+850 ocurrió una erosión
máxima de 2.5 cm (1 m). Entre el tramo de T1R-T2V se pudo
apreciar que la pendiente varía desde 1.59% hasta 3.23%
producto del movimiento de la cresta (punto de inflexión) del
foso de erosión. Para el tramo de la T2V-T3C la pendiente
disminuyó desde 2.53% hasta 0.4%, en este tramo se presentó
una erosión promedio de 1.5 cm (0.6 m) para los caudales de
9.88 l/s y 17.79 l/s luego debido a la erosión del foso y el
desplazamiento de este ocurrió una sedimentación de 0.775
cm (0.310 m). Para el ensayo de 46.45 l/s (470 m3/s) se
registró una erosión de 0.852 cm (0.341 m) (comparación
entre el caudal de 46.45l/s y 29.65 l/s) desplazando el material
aguas arriba de la T3C generando una sedimentación de 0.63
(0.252 m). En los ensayos de 57.39 l/s (580 m3/s) se generó
una erosión de 2.05 cm (0.821 m).En el tramo T3C-T4B la
pendiente se incremento desde 0.96% hasta 1.69%. La erosión
fue muy lenta para los caudales de 9.88 l/s y 46.45 l/s. En el
ensayo de 57.39 l/s ocurrió una erosión de 0.7725 cm (0.309
m).Los números de Froude registrados variaron desde 0.8
hasta 4.2. La T4B presentó un número de Froude promedio de
4.0. En todos los ensayos se observó un régimen
supercrítico.En la margen derecha y la margen izquierda
(1+020 para delante) los tirantes presentados variaron de 4.25
cm (1.70 m) hasta 8.25 cm (3.30 m) y en la parte central del
cauce fue de 1.4 cm (0.56 m).En estos ensayos la longitud del
foso de la T1R, presentó variación desde 16.80 cm (6.72 m)
para los ensayos de 9.88 l/s y hasta 129.9 cm (51. 98 m).Para
Figura 18. Evolución del perfil longitudinal desde la progresiva 0+800 – 1+280 en la margen derecha

8. AMH
XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
los ensayos de 46.45 l/s después esta longitud fue disminuida
a 69.1 cm (27.46 m) con el caudal de 57.39 l/s (580 m3/s)
generando una erosión máxima del foso de 2.98 cm (1.192 m).
En la T2V la longitud del foso de erosión fue oscilante desde
una longitud de 35.6 cm (14.24 m), 19.67 cm (7.87 m), 36.95
cm (14.78 m), 34.07 cm (13.63 m), 19.1 cm (7.64 m) para los
cinco caudales ensayados respectivamente, La máxima
erosión del foso fue de 3.195 cm (1.278 m). En la T3C la
longitud del foso fue de 22.97 cm (9.19 m) luego la longitud
se hizo casi nula para el ensayo de 46.45 l/s presentando un
foso de erosión muy pequeña de 0.825 cm (0.330 m). Para el
ensayo de 57.39 l/s (580m m3/s) la longitud del foso fue de
75.25 cm (30.10 m) y la erosión fue de 2.465 cm (0.986 m).
Para la T4B la longitud de foso fue desde 17.875 cm (7.15 m)
hasta 77.25 cm (30.90 m) y las erosiones fueron desde 1.397
cm (0.559 m) hasta 5.775 cm (2.31 m).En el enrocado de
transición las velocidades variaron (ver Figura 9) para los
cinco caudales ensayados. La máxima velocidad fue de 0.591
m/s (3.74 m/s).
AMH
obtienen buenos resultados a la escala empleada y que no
habría efectos de escala.
Las traviesas de escolleras al ras del lecho tienen un
funcionamiento mucho mejor que las de una pequeña corona
sobresalida. Esta traviesa (T3C-1+080) no presentó erosión
local, ni tampoco se observó un flujo ondulado. Para el ensayo
de 57.39 l/s (580 m3/s) recién se formó un pequeño foso de
erosión considerable, generando una pequeña erosión local
aguas abajo.
Se necesita una batería (conjunto de traviesas de enrocado)
para poder controlar la erosión general en su totalidad. La
T4B para los ensayos de 46.45 l/s y 57.39 l/s (470 m3/s y 580
m3/s) formo un encañonamiento de ancho pequeño y de
profundidad de erosión local alta.
Aguas abajo de la traviesas con una pequeña corona
sobresalida se produce un salto. Este descenso o erosión aguas
abajo es una amenaza directa para la cimentación de la
traviesa que producirían fosas de erosión de considerable
magnitud, en profundidad y extensión. La forma de la traviesa
si influye en la estabilidad del enrocado además sirve de guía
al flujo para que lleve un recorrido del ángulo de incidencia
del chorro.
Con la longitud entre traviesa (1+020-1+080, 1+080-1+140)
a la mitad del ancho del cauce (60 m, medida en el prototipo)
se presentaron pendientes menores comparadas con el tramo
(0+930-1+020) donde se le dio la longitud de dos tercios del
ancho del cauce (90 m).
Las traviesas no presentaron colapso total a pesar de ser
ensayados con un caudal milenario instantáneo. Además de
eso los ensayos sin incorporación de sedimentos sirvieron para
medir las máximas erosiones tanto locales como generales.
Figura 17. Magnitud de velocidades en el enrocado de transición
Las velocidades presentadas en la sección transversal de las
traviesas (figura 10) variaron desde 0.063 m/s (0.40 m/s) hasta
0.774 m/s (4.90 m/s) para los diversos ensayos. Las
velocidades se concentraron en la margen derecha para los
ensayos de 9.88 l/s (100 m3/s) y 17.79 l/s (180 m3/s) mientras
que en los tres últimos tres ensayos las velocidades se
concentraron tanto en la margen izquierda como en la margen
derecha (Figura 9), presentándose las mayores velocidades en
la margen derecha del cauce. En la parte central del lecho las
velocidades fueron pequeñas, lo que no ocurre durante los
ensayos de 46.45 l/s(470 m3/s) y 57.39 l/s(580 m3/s)en donde
se presentaron velocidades en el rango de 0.173 m/s (1.1 m/s)
hasta 0.474 m/s (3.0 m/s).
Conclusiones
Con el estudio realizado se demostró que la traviesa puede
efectivamente actuar como un punto fijo del perfil del río,
controlando las cotas de fondo aguas arriba en su evolución a
largo plazo.
Es necesario colocar un enrocado de transición aguas abajo
de la poza disipadora del barraje móvil, esto conlleva a que el
flujo salga o se disperse por todo el ancho del río sin producir
una incisión en el cauce. Estos enrocados deben ser diseñados
teniendo en cuenta las altas velocidades y presiones
fluctuantes que se generan en flujos macroturbulentos. En los
resultados obtenidos en el modelo físico se comprueba que se
Referencias
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“Estudio Experimental de la erosión local producida por la
presencia de umbrales de fondo en lecho vivo”. XIX Congreso
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2.-Bateman P., A.; Jiménez P., P.; (2006) “Estudio sobre
estabilidad de traviesas y lechos de escollera con transporte de
sólidos” Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona,
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4.-Laboratorio Nacional de Hidráulica - LNH (2010).
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Huachipa en el rio Rímac – Informe Técnico”,Lima, Perú.
5.- Laboratorio Nacional de Hidráulica - LNH (1997)
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– Tramo Puente El Ejército. Informe Técnico” . Lima, Perú.
6.- Lopardo R. A; Casado J. M. (2005). “Estabilidad de
enrocados aguas abajo de disipadores a resaltos”. Segundo
Simposio de Regional sobre Hidráulica de Ríos, Neuquén,
Argentina.
7.- Martín Vide J. P. (2003) “Ingeniería de Ríos”.
Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona, España.