IAHR CIC

XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRULICA

SAN JOS, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012

MITIGACIN DE INCISIN DE CAUCE AGUAS ABAJO DE LA OBRA DE

CAPTACIN CASO BOCATOMA HUACHIPA

J. M. Kuroiwa1, L. F. Castro

2 y J.I. Montenegro

3

1 Director del Laboratorio Nacional de Hidrulica y Profesor Asociado Departamento de Hidrulica e Hidrologa. Facultad de Ingeniera Civil. Universidad Nacional de Ingeniera. Av. Tpac Amaru 210. Lima

25. Per. Telfonos: (51) (1) 481-1991 / 481-1920. E-mail: jkuroiwa@uni.edu.pe 2

Asistente de Investigacin. Laboratorio Nacional de Hidrulica y Jefe de Prcticas Departamento de Hidrulica e Hidrologa. Facultad de Ingeniera Civil. Universidad Nacional de Ingeniera. E-mail:

lfcastro@uni.edu.pe 3 Asistente de Investigacin. Laboratorio Nacional de Hidrulica. E-mail: jmontenegrog@uni.edu.pe

RESUMEN:

En este trabajo de investigacin se presenta una metodologa y tambin resultados de las

tareas realizadas sobre un modelo fsico de lecho mvil cuyo objetivo principal es de proteger una

obra de captacin aguas abajo frente a la erosin local y general del lecho fluvial. La Bocatoma

Huachipa se encuentra emplazada sobre el ro Rmac, que es un ro de fuerte pendiente con un

rgimen supercrtico. La margen derecha aguas abajo de la toma se presentaba un gran

encaonamiento formado por la erosin. Para controlar la erosin general de manera eficaz se

construy una serie de traviesas de enrocado o escollera, que son estructuras que se colocan

enterradas en el lecho del curso fluvial, perpendiculares a la direccin del flujo, de orilla a orilla y

cuyo objetivo es ralentizar el descenso de cota del lecho. Para el control de erosin local se utilizo

una transicin de enrocado aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil, tomando en cuenta

las velocidades y presiones fluctuantes que generan los flujos macroturbulentos. El modelo

utilizado en esta investigacin es un modelo de lecho mvil de escala 1/40, en el que se observan

los procesos de erosin y sedimentacin longitudinal y transversal. Las orillas y las planicies se

del ro se modelaron como rgidas.

ABSTRACT: This research program shows a methodology and the results of tests performed on a

hydraulic mobile-bed model whose main objective was to protect an intake against downstream

erosion. The Huachipa Intake is located on the Rimac River, which is a steep watercourse with a

supercritical regime. The streambed near the right bank presented a canyonlike formation produced

by erosion. To control the general erosion effectively, a series of riprap sleepers were placed in the

hydraulic model. These are traverse structures of rock that are buried in the streambed,

perpendicular to the direction of the flow across the entire streambed. Their main purpose is to

slow down the decrease in bed elevation. A transition riprap was used to control the erosion

downstream of the stilling basin of the intake, taking into account the velocities and fluctuating

pressures that generate the macroturbulent flows. The physical hydraulic model was tested at a

1/40 scale and the streambed was mobile. The banks of the river remained rigid.

PALABRAS CLAVES: erosin, mitigacin, traviesas de enrocado.

INTRODUCCIN

El ro Rmac es un torrente de montaa que discurre por una fuerte pendiente con un

rgimen predominantemente supercrtico y fcilmente erosionable. El ro es en casi todo su

recorrido de aproximadamente 150 km es muy empinado. La pendiente media es de 3.23%. En la

parte inferior alcanza (entre Chosica a 30 km del litoral - y el Ocano Pacfico) una pendiente media de 1,7%, que es supercrtica. Estudios realizados en modelos hidrulicos fsicos en el LNH

(1997), determinaron que caudales especficos superiores a 3 m3/s por metro de ancho de cauce

desestabilizan el lecho. El estrechamiento del ro Rmac en ciertos tramos (Puente del Ejrcito Puente Dueas) ha conducido a la formacin de un can urbano el cual ha sido generado por las

consecuencia de las actividades humanas (Kuroiwa et al., 2011). En el ao 2010 se inici la

construccin de la Bocatoma Huachipa sobre el ro Rmac. Para los estudios del modelo fsico, el

Consorcio Huachipa contrat al Laboratorio Nacional de Hidrulica (LNH) de la Universidad

Nacional de Ingeniera (UNI). La escala usada en el modelo fsico fue de 1/40. Se llevaron a cabo

ensayos en lecho rgido y lecho mvil con y sin transporte de sedimentos. En el ensayo con lecho

mvil se observ que el cauce en la margen derecha empez a erosionar debido a de las altas

concentraciones de velocidad lo cual intensificaban los esfuerzos cortantes y estos a la vez

arrastraban las partculas del fondo. Cuando se emplea una bocatoma del tipo barraje mixto, gran

parte del caudal pasa por el barraje mvil durante los eventos extremos. Esto conlleva a una

concentracin de flujos (mayores a los flujos que ocurren en forma natural) aguas abajo del barraje

mvil. Si el cauce del ro est 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 producirn desequilibrios que llevarn a la incisin del

cauce.

En los ensayos realizados en el Modelo Hidrulico de la Bocatoma Huachipa, se observ

que aguas abajo de la bocatoma, el flujo se concentr en la margen derecha generando una gran

erosin del cauce. En este trabajo se describir los ensayos realizados para la proteccin del lecho

mediante un enrocado de transicin inmediatamente aguas abajo de la poza disipadora de energa y

con traviesas de escollera aguas abajo en cuatro secciones del ro. Jimnez P. y Bateman P. (2006)

sealan que las traviesas son estructuras que se colocan enterradas en el lecho del curso fluvial dispuestas perpendicularmente a la direccin del flujo, de orilla a orilla y con cota de coronacin

apenas superior a la cota del fondo del ro. Suelen trabajar en conjunto y su objetivo es ralentizar el

descenso de cota del lecho debida a la erosin general. Las medidas como las distancias, velocidades, tirantes, etc. se escribirn primero en las

medidas del modelo y al costado entre parntesis se incluirn las medidas que representan en el

prototipo. El objetivo que tiene el presente trabajo es proteger la bocatoma seccin aguas abajo

frente a la erosin utilizando enrocados y traviesas de escolleras, observar los procesos de erosin y

sedimentacin aguas abajo del barraje mixto. Se emplearn algunos criterios de diseos presentados

en investigaciones experimentales anteriores y se observarn los procesos fluvio-morfolgicos

presentados para los diversos ensayos con la proteccin. Adems se discutir la necesidad de

colocar un enrocado de transicin aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil para dispersar

el flujo por todo el ancho del cauce del ro y as evitar la incisin del cauce.

INCISION DEL CAUCE

Aguas abajo de la poza de disipacin el flujo erosiona el lecho, el cual desciende formando

una especie de canal piloto. Esto se observa desde las pruebas con los caudales ms 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 ro ha descendido en la margen izquierda, entonces el caudal tiende a

concentrarse sobre el canal profundizado, aumentando an ms el caudal unitario y producindose

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). 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) adems el lecho desciende hasta tocar fondo

adems la socavacin para la prueba de 470 m3/s se encuentra en el orden de 10 cm (4 m). Mayores

caudales provocaran un descenso an mayor (Figura 1). El canal piloto llego a tener un ancho

medio de 150 cm (60 m) y la erosin mxima fue de 0.127 m (5.10 m) (Tabla 1). La avenida de

470 m3/s es la avenida milenaria calculada con valores medios diarios y la avenida de 57.32 L/s

(580 m3/s) es la avenida calculada con valores mximos instantneos (Figura 2).

Figura 1.- Formacin del canal piloto en la margen derecha aguas abajo (modelo).

El enrocado (rip-rap) de proteccin aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil

present desplazamientos de 0.92 m (36.80 m), debido a las altas velocidades y presiones

fluctuantes que se generan en flujos macroturbulentos aguas abajo de disipadores o resaltos

hidrulicos. Lopardo (2005) seala que es necesario tomar en consideracin los parmetros del

flujo fluctuante para una adecuada definicin de los enrocados estables de proteccin en zonas

fuertemente solicitadas por acciones fluctuantes aguas abajo de disipadores de energa. Es por este

motivo que se sigui est metodologa para colocar un enrocado de transicin aguas abajo de la

poza disipadora de energa del barraje mvil. Una vez formadala incisin del cauce en la margen

izquierda (progresiva 0+780-1+280) y con el caudal ensayado de 29.65 l/s (300 m3/s) se presenta

erosin regresiva, sta se desplaza en sentido contrario al flujo y se empieza a desestabilizar el rip

rap del barraje fijo y del barraje mvil.

Tabla 1.- Socavacin crtica para los ensayos del lecho mvil sin proteccin (medida en el prototipo)

ENSAYOS SIN SEDIMENTOS CON SEDIMENTOS

Progresivas Posc. al eje [m] Soc. critica [m] Posc. al eje [m] Soc. critica [m] 0+750 24 2.6 -18 a 20 2.7

0+780 -2 2 -8 a 16 5.1

0+810 6 a 16 5 2 a 20 4.8

0+840 2 a 12 5.3 8 a 28 4

0+870 0 a 8 4 0 a 12 4.1

En este caso se presenta una erosin permanente (erosin a largo plazo) que es ocasionada

por un desequilibrio geomorfolgico causada por la construccin de obras en el ro. La obra humana

que ms sealadamente causa una erosin general a largo plazo es la construccin de una presa y

obras de captacin que interrumpen el transporte slido completamente pero tan slo modula

temporalmente el caudal lquido. De este desequilibrio proviene la erosin.

Figura 2.- Perfil longitudinal del ro despus de ensayado los caudales de 470 m

3/s y 580 m

3/s.

METODOLOGIA Y CRITERIOS DE DISEOS

Las velocidades presentadas aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil 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 el prototipo, LNH (2010)). Una vez definido estos parmetros se ingresa al diagrama

que propuso Lopardo et al (2005) resultando un dimetro estable ds = 2.0 m. La longitud que se

calcul fue tomada del criterio usado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos donde la

longitud del rip rap es de diez veces el tirante conjugado aguas abajo. Este clculo dio como

resultado 30 m (desde la progresiva 0+810 - 0+840) generando una transicin gradual de enrocado.

Las traviesas de escolleras fueron diseadas tomando en cuenta el mtodo de estabilidad de

momentos (Stevens and Simons 1971). La estabilidad de momentos descrito en el libro de Erosin

y Sedimentacin (Julien, 2008) donde seala que las condiciones de umbral se producen cuando los

momentos de las fuerzas hidrodinmicas que actan sobre un equilibrio una sola partcula resiste los

momentos de la fuerza. La relacin de los momentos resistentes entre los momentos de

generacin de movimiento (actuantes), se define a travs de dos factores de estabilidad. Las

variables de diseo fueron: Esfuerzo cortante 0=506.48 N/m2, el ngulo de reposo =40, el ngulo

del talud 1=27, la pendiente longitudinal S=0.02 m/m, el ngulo de las lneas de corriente =0. (Los datos fueron calculados con el modelo fsico y algunos con los modelos computacionales tales

como: HECRAS 3.1.1, River2D y CCHED2D), resultando un dimetro representativo de d= 1.45

m. Se tom 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).

Figura 3.- Propuesta para la mitigacin de la incisin del cauce aguas debajo de la captacin

CONDICIONES DEL ENSAYO Y DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO

El estudio experimental se ha realizado en un modelo fsico en el Laboratorio Nacional de

Hidrulica Alfonso Alcedn la Cruz de la Universidad Nacional de Ingeniera. Se us una escala no distorsionada de longitudes 1/40. El LNH cuenta con un rea total de 17 000 m

2, de los cuales 12

000 m2 se destinan para pruebas en modelo hidrulico. El modelo fsico es abastecido desde una

cisterna de 120 m3 de capacidad por medio de 4 bombas centrfugas 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 tubera de alimentacin que transporta agua desde el tanque elevado al modelo es de acero de 355,6 mm (14) de dimetro interior, terminando en la alimentacin a un tanque de albailera, el cual est provisto a la salida de un

vertedero triangular de bronce de 90 con un limnmetro de gancho marca Neyrpic, que permite

medir niveles de carga de agua sobre el vertedero con 0,1 mm de precisin.

Despus de terminado el Estudio en modelo fsico y matemtico de la bocatoma Huachipa en el ro Rmac LNH (2010), los trabajos para esta investigacin empezaron con la colocacin del lecho mvil, que consisti en depositar el material tamizado (modelando la granulometra del lecho

del ro Rmac) sobre la superficie de concreto se empez calculando la cota de piso en cada punto

de las secciones transversales donde la curva de nivel las intersecaba. En estas ubicaciones, se

coloc un stobolt (esto es un cilindro, hueco en su interior que puede enroscarse sobre un pequeo

tornillo que se colocaba en el piso de concreto). La altura se calculaba restando la cota de piso

(prototipo) de la cota requerida (prototipo) y dividindola entre 40. Se calcul la distribucin

granulomtrica del material de lecho a escala. Verificndose la distribucin granulomtrica del

material y se procedi a instalarlo en el lecho mvil. Para el tamizado se usaron mallas estndar y

luego se proces en gabinete. Se coloc una primera capa que fue humedecida y compactada. Una

segunda capa se coloc de manera tal que el tope del suelo se hiciera coincidir con el stobolt en

cada punto donde se haba colocado uno previamente. Se haca coincidir puntas de los stobolts y

luego se desplazaba la regla para nivelar el suelo. Despus de instalado el material, se procedi a

verificar la topografa final del lecho con la ayuda de un nivel de ingeniero. Si las diferencias con la

topografa se encontraban dentro de una tolerancia aceptable, se proceda con las pruebas, de lo

contrario, se correga la topografa hasta llegar a una topografa ms cercana a la realidad.

Para mitigar el efecto de la incisin del cauce fluvial de la margen derecha se usaron

traviesas de escollera, constituidas por grava cuyo dimetro medio era 1.5 o 3.8 cm (1.52 m), formando una especie de escollera. El talud fue de 1V:2H, y se colocaron de forma casi enterrada

para algunos caso y enterrada totalmente para otros. Con un cordel de albail y una regla de

carpintero se control la perpendicularidad. Se humedeci el lecho y luego se excav con un

frotacho una zanja de 35 cm (14 m) de ancho con 7 cm (2.80 m) de altura, una vez realizado esto;

se coloco los moldes de madera (seccin transversal de madera) para luego proceder a colocar el

material gravoso. La elevacin final fue controlada con un nivel de ingeniero. Para la proteccin

aguas abajo de la colchn amortiguador del barraje mvil con enrocado (transicin 0+810-0+870)

se excav el lecho y se humedeci para luego colocar el enrocado de 3.8 cm de dimetro.

Para el desarrollo de los ensayos de investigacin se ensayaron los caudales: Q = 9.88 l/s

(100 m3/s), Q=17.79 l/s (180 m

3/s), Q=29.65 l/s (300 m

3/s), Q=46.45 l/s (470 m

3/s) y

QTR=1000=57.39 l/s (580 m3/s), con una granolumentra del material del lecho mvil caracterstico

de: d15=0.3 mm (0.012 m), d50=2.1 mm (0.084 m), d85=6.5 mm (0.260 m) y d90=7.6 mm (0.304 m),

la rugosidad fue de 0.040. La longitud del lecho mvil en estudio desde el eje de la bocatoma hasta

el final del fondo mvil fue de 14 m (560 m) desde la progresiva 0+720 hasta 1+280. Primero se

coloc un enrocado de transicin aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil (0+810-

0+840), Las traviesas se colocaron en las progresivas siguientes: T1R- 0+0930, T2V-1+020, T3C-

1+080 y T4B-1+140 (Figuras 3 y 4).

Figura 4.- En la figura se observan la transicin y las traviesas de enrocado

Para el caudal de 9.88 l/s (100 m3/s), se inicio los ensayos el da viernes 25 de febrero del

2011 siendo a las 9:40 am (todos los ensayos duraron 8 h). 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 inundacin, se verti permanganato de potasio para visualizar las lneas de

corriente y corroboraron que la concentracin del flujo es mayor en la margen derecha, aunque

tambin se registra flujos en la margen izquierda. El flujo es evacuado en su totalidad por el barraje

mvil, haciendo que el flujo pase por la transicin de enrocado formndose un flujo ondulado

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 coronacin sobresalida) hasta

esparcirse parte de la masa de agua por todo el ancho del cauce presentando un resalto anegado

transitorio, Bateman et al (2000) sealan que este cambio de rpido a lento produce un resalto mvil

que viaja desde la duna hasta la traviesa donde choca para disipar la energa 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 acelerndose,

cosa que lo hace ms erosivo. Se midi la longitud del resalto en la margen derecha y tena 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) disminua. Esta longitud paralela fue de 1.35 m (54 m) y la

longitud del resalto en la parte central fue de 10 cm (4.0 m). En la parte central de la T1R se

presento una zona de sedimentacin de 0.60 m (24.0 m) de longitud paralela a este, luego se formo

un resalto hidrulico en una pequea zona.

Para la T2V-1+020 presento un resalto hidrulico 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 ro), presentando sedimentacin en la parte central del cauce, continuando con 1 m

(40 m) de espejo de agua. En el tramo 1+020-1+080 el flujo se mantena concentrado en la margen

derecha e izquierda dejando una zona sedimentada en el centro del cauce.

En la T3C-1+080 por ser una traviesa completamente sumergida (nivel coincide con el

perfil del terreno) no present un resalto. En toda su longitud transversal se evidenci un espejo de

agua. En el tramo 1+080-1+140 se observ que el flujo se concentro tanto en la margen derecha

como en la margen izquierda dejando la parte central con velocidades muy bajas. En la margen

derecha se observo un espejo de agua de 1 m (40 m) de longitud y en la margen izquierda se midi

1.40 m (56 m) de espejo de agua.

En la T4-B 1+140 algunas rocas pertenecientes a la traviesa fueron desplazadas,

presentndose una gran erosin local aguas abajo. En la parte central del cauce los materiales finos

se sedimentaron (Figura 5). Desde el tramo 1+140 hasta 1+280 en la margen derecha se presenta un

gran erosin formndose un canal piloto de ancho promedio de 25 cm (10 m) con una profundidad

de erosin presentada es de 26 cm (10.40 m) y en la margen izquierda la erosin mxima presentada

para esta seccin es de 22 cm (8.80 m). En la parte central del cauce del ro se evidenci una

sedimentacin de 38 cm (15.20 m). Para el ensayo con el caudal de 17.79 l/s (Qp=180 m

3/s) se pudo visualizar que la zona de la

margen derecha del cauce existen velocidades mayores. En la zona de la transicin se puede

observar que el flujo se presenta de una forma ondulada producto de la rugosidad del lecho. Se

verti permanganato de potasio para visualizar los patrones de flujo observndose que la

concentracin del flujo es mayor en la margen derecha. Se observ que el enrocado sufri un

desplazamiento de 27 cm (10.80 m). Si se compara el lecho original con el lecho ensayado se tiene

una sedimentacin de 3.6 cm (1.44 m) las partculas sedimentadas son muy pequeas (En la parte

central). Aguas debajo de la T1R se pudo apreciar que comenz a crecer la erosin. Incluso se

movieron algunas partculas del enrocado de la T1R, desplazando un enrocado de 30 mm (1.20 m)

y 20 mm (8 m) depositndolos en el foso de erosin. En la segunda traviesa no se observ ningn

desplazamiento de las rocas que conforman la escollera, el flujo se esparci casi en un 90 % en su

longitud transversal de la traviesa presentado una erosin de 40 cm (16 m). En la parte central del

cauce se evidencio tirantes muy pequeos con velocidades muy pequeas generando una

sedimentacin de 540 mm (21.60 m). La tercera traviesa funcion 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 transicin las partculas

que lo conforman empezaron a vibrar presentando volteo (Figura 5). En la T1R se gener un resalto

anegado estable que se caracteriza por la entrada de un chorro que ingresa en la masa de agua con

ngulos grandes respecto de la horizontal. Se presentaron desplazamientos de rocas de la traviesa

de 16 cm (6.40 m).

Figuras 5.- En la figura izquierda se observa movimiento de una particula en el enrocado de

proteccin, en el centro se aprecia resalto presentado en la traviesa 4. A la derecha se muestra la traviesa 4

despus de los ensayos con 300 m3/s.

Para el ensayo con el caudal de 46.45 l/s (Qp=470 m3/s), la granulometra del foso de

erosin de las traviesas presentan casi un dimetro uniforme. Para la T4B se presenta un resalto

mucho mayor que el de los ensayos anteriores, ocurriendo erosin aguas abajo de la traviesas.

Aguas abajo de la T2V el mximo desplazamiento registrado fue de 42 cm (16.80 m). Tambin se

puede observar que en la parte central del cauce se presenta sedimentacin y en el extremo

izquierdo presenta una erosin considerable.

Figuras 6.- Patrones de flujo presentado para los ensayos de 470 m

3/s.

En el tramo 1+140-1+280 la formacin del canal piloto (figura 7) en la margen derecha

presento una erosin mxima de 30 cm (12 .0 m) con un ancho de 33 cm (13.20 m).

El ltimo caudal de 57.52 l/s (Qp=580 m3/s). En la progresiva 0+780 en la margen izquierda

se midi una erosin mxima de 6 cm (2.40 m). Tanto para la T1R y T2V ocurre una gran erosin

aguas abajo (margen derecha) alcanzando una erosin del foso la cimentacin de las traviesas. Para

la T1R ocurrieron desplazamientos de rocas de la traviesa de 1.6 m (64 m). As tambin se puede

apreciar que en muchas rocas que constituyen la traviesa de escollera estn depositadas en el foso

de erosin. En este tramo el valor mximo de erosin general medido es de 1.80 cm (0.72 m). Si

comparamos el lecho original y el lecho despus del ensayo de 46.45 l/s (470 m3/s) con el ensayado

actual podemos observar que la erosin general ha incrementado muy notablemente.

Figura 7.- Erosin general y local aguas abajo de las traviesas

RESULTADOS DE LAS OBSERVACIONES

La proteccin con traviesas de escollera arrojaron muy buenos resultados para el control de

la erosin general aguas abajo de la Bocatoma Huachipa, la mxima erosin fue de 3.125 cm (1.25

m medida en el prototipo). Las traviesas de escollera y la transicin de enrocado controlaron la

erosin progresiva y regresiva. La evolucin de la pendiente del lecho fue lenta tal como se muestra

en tabla.

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 ms notorios donde sigui ocurriendo erosin y sedimentacin.

Tabla 2.- Pendiente entre traviesas - Margen derecha del lecho fluvial.

Caudal Pendiente entre los tramos T1R-T2V T2V-T3C T3C-T4B T4B-Le

100 m3/s 0.0159 0.0253 0.0096 0.00846

180 m3/s 0.0246 0.0115 0.00910 0.0137

300 m3/s 0.0178 0.0161 0.0114 0.0154

470 m3/s 0.0323 0.00577 0.0137 0.0400

580 m3/s 0.0208 0.00484 0.0169 0.5900

En el enrocado de transicin se detect movimiento para el caudal de 29.65 l/s (300 m3/s).

En 0+850 ocurri una erosin mxima de 2.5 cm (1 m). Entre el tramo de T1R-T2V se pudo

apreciar que la pendiente vara desde 1.59% hasta 3.23% producto del movimiento del la cresta

(punto de inflexin) del foso de erosin.

Para el tramo de la T2V-T3C la pendiente disminuy desde 2.53% hasta 0.4%, en este tramo

se present una erosin 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 erosin del foso y el desplazamiento de este ocurri una sedimentacin de 0.775 cm

(0.310 m). Para el ensayo de 46.45 l/s (470 m3/s) se registr una erosin de 0.852 cm (0.341 m)

(comparacin entre el caudal de 46.45l/s y 29.65 l/s) desplazando el material aguas arriba de la T3C

generando una sedimentacin de 0.63 (0.252 m). En los ensayos de 57.39 l/s (580 m3/s) se gener

una erosin de 2.05 cm (0.821 m).

En el tramo T3C-T4B la pendiente se incremento desde 0.96% hasta 1.69%. La erosin fue

muy lenta para los caudales de 9.88 l/s y 46.45 l/s. En el ensayo de 57.39 l/s ocurri una erosin de

0.7725 cm (0.309 m).

Los nmeros de Froude registrados variaron desde 0.8 hasta 4.2. La T4B present un

nmero de Froude promedio de 4.0. En todos los ensayos se observ un rgimen supercrtico.

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).

Figura 8.- Evolucin del perfil longitudinal desde la progresiva 0+800 1+2600, margen derecha.

Bateman et. al. (2005) sealan que la forma del foso de erosin es compleja y cambiante. En

estos ensayos la longitud del foso de la T1R, present variacin desde 16.80 cm (6.72 m) para los

ensayos de 9.88 l/s y hasta 129.9 cm (51. 98 m) para los ensayos de 46.45 l/s despus esta longitud

fue disminuida a 69.1 cm (27.46 m) con el caudal de 57.39 l/s (580 m3/s) generando una erosin

mxima del foso de 2.98 cm (1.192 m). En la T2V la longitud del foso de erosin 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 mxima erosin 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 erosin muy pequea

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 erosin 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).

Las velocidades presentadas en la seccin 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. En el enrocado de

transicin las velocidades variaron (ver Figura 9) para los cinco caudales ensayados. La mxima

velocidad fue de 0.591 m/s (3.74 m/s).

Figura 9.- Magnitud de velocidades en el enrocado

de transicin. Figura 10.- Evolucin de la velocidades en la

Traviesa 3 - T3C.

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 m

3/s) mientras que en los tres ltimos tres ensayos las velocidades se

concentraron tanto en la margen izquierda como en la margen derecha (Figura 9), presentndose las

mayores velocidades en la margen derecha del cauce. En la parte central del cauce (eje del modelo

fsico) las velocidades fueron menor pero en el ensayo de 46. 45 l/s y 57.39 l/s presento velocidades

en el rango de 0.173 m/s (1.1 m/s) hasta 0.474 m/s (3.0 m/s).

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

-50 -30 -10 10 30 50 70

M a

gn

itu

d d

e V

elo

cid

ad

es

Seccion Transversal 0+840 Q=580 m3/sQ=470 m3/sQ=300 m3/sQ=180 m3/s

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

M a

gn

itu

d d

e V

elo

cid

ad

es

T3C - 1+080

Q=580 m3/sQ=470 m3/sQ=300 m3/sQ=180 m3/s

CONCLUSIONES

Con el estudio realizado se demostr que la traviesa puede efectivamente actuar como un punto fijo del perfil del ro, controlando las cotas de fondo aguas arriba en su evolucin a

largo plazo.

Es necesario colocar un enrocado de transicin aguas abajo de la poza disipadora del barraje mvil, esto conlleva a que el flujo salga o se disperse por todo el ancho del ro sin producir

una incisin en el cauce. Estos enrocados deben ser diseados teniendo en cuenta las altas velocidades y presiones fluctuantes que se generan en flujos macroturbulentos. En los

resultados obtenidos en el modelo fsico se comprueba que se obtienen buenos resultados a

la escala empleada y que no habra efectos de escala.

Las traviesas de escolleras al ras del lecho tienen un funcionamiento mucho mejor que las de una pequea corona sobresalida. Esta traviesa (T3C-1+080) no present erosin local, ni

tampoco se observ un flujo ondulado. Para el ensayo de 57.39 l/s (580 m3/s) recin se

form un pequeo foso de erosin considerable, generando una pequea erosin local aguas

abajo.

Se necesita una batera (conjunto de traviesas de enrocado) para poder controlar la erosin general en su totalidad. La T4B para los ensayos de 46.45 l/s y 57.39 l/s (470 m

3/s y 580

m3/s) formo un encaonamiento de ancho pequeo y de profundidad de erosin local alta.

Aguas abajo de la traviesas con una pequea corona sobresalida se produce un salto. Este descenso o erosin aguas abajo es una amenaza directa para la cimentacin de la traviesa

que produciran fosas de erosin de considerable magnitud, en profundidad y extensin. La

forma de la traviesa si influye en la estabilidad del enrocado adems sirve de gua al flujo

para que lleve un recorrido del ngulo 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 instantneo. Adems de eso los ensayos sin incorporacin de sedimentos sirvieron para

medir las mximas erosiones tanto locales como generales.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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producida por la presencia de umbrales de fondo en lecho vivo. XIX Congreso Latinoamericano de Hidrulica, Crdoba, Argentina.

Jimnez P., P.; Bateman P., A. (2006) Estudio sobre estabilidad de traviesas y lechos de escollera con transporte de slidos Universidad Politcnica de Catalunya, Barcelona, Espaa.

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Kuroiwa J. M; Mansen A.; Romero F; Castro L. F. (2011) Narrowing of the Rimac River due to Anthropogenic Causes Partial Engineering Solutions. World Environmental and Water Resources Congress 2011: 2672, Bearing Knowledge for Sustainability ASCE 2011.

Laboratorio Nacional de Hidrulica - LNH (2010). Estudio en Modelo Fsico y Matemtico de la Bocatoma Huachipa en el rio Rmac Informe Tcnico, Universidad Nacional de Ingeniera, Lima, Per.

Laboratorio Nacional de Hidrulica - LNH (1997) Estudio en Modelo Hidrulico en Fondo Mvil del Ro Rmac Tramo Puente El Ejrcito. Informe Tcnico N 3-81. Informe Final. Lima, Per.

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Martn Vide J. P. (2003) Ingeniera de Ros. Ediciones UPC, S.L, Universidad Politcnica de Catalunya. Barcelona, Espaa.