hidrolgía y geomorfología fluvial

HIDROLOGIA Y GEOMORFOLOGIA FLUVIAL

Ing. EDGAR RODRIGUEZ ZUBIATEerodriguez@uni.edu.pe

aquacv@infonegocio.net.pe

PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE LA OCURRENCIA DEL FENOMENO “EL NIÑO”LA OCURRENCIA DEL FENOMENO “EL NIÑO”

PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CAÍDO A RAÍZ DEL FENÓMENO “ EL NIÑO” 1998

EFECTOS DEL FLUJO SOBRE UN PUENTE

MAPA DEL PERU

HIDROLOGIA• LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DE LA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION, SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE, INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERES VIVOS

• LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUE ATAÑEN AL DISEÑO Y OPERACIÓN DE PROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL CONTROL Y EL USO DEL AGUA

1 EL FENOMENO DE LA ESCORRENTIA

1.1 COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA

• El camino seguido por una gota de agua desde el momento en el cual alcanza la tierra hasta cuando llega al curso de una corriente es incierto

• El flujo de agua sobre la tierra o escorrentía superficial, corresponde al volumen de agua que avanza sobre la superficie de la tierra hasta alcanzar un canal

1.1 COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA (Continuación)

• El flujo superficial sobre un suelo permeable sólo puede tener lugar cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la capacidad de infiltración

• Una porción de agua que se infiltra a través de la superficie de la tierra puede moverse lateralmente en las capas superiores del suelo hasta llegar al cauce de la corriente. Esta agua, llamada escorrentía subsuperficial, se mueve más lentamente que la escorrentia superficial y alcanza las corrientes posteriormente

EL CICLO HIDROLOGICO

2 ESCORRENTIA SUPERFICIAL2.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESCORRENTIA

SUPERFICIAL• Factores Climáticos

- Intensidad de precipitación - Duración de la precipitación- Precipitación antecedente

• Factores Fisiográficos- Area - Permeabilidad

• Factores Humanos- Obras Hidráulicas construidas en la cuenca- Rectificación de ríos

2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL

• Caudal Q

• Coeficiente de Escorrentía Superficial C- Es la relación entre el volumen de agua

escorrentía superficial total y el volumen total deagua precipitada, en un intervalo de tiempodeterminado

2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL (Continuación)

• Tiempo de Concentración (Tc)- Es el tiempo que la lluvia que cae en el

punto más distante de la corriente (Punto A)de agua de una cuenca toma para llegar auna sección determinada de dicha corriente

Puente

Límite de Cuenca

A

2.2 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL (Continuación)

• Periodo de Retorno ( Tr )- Es el periodo de tiempo promedio en años en que

un determinado evento (en este caso un caudal Q)es igualado o superado por lo menos una vez

P(Q≥Qo) es la probabilidad de ocurrencia, ola probabilidad que un caudal Q seamayor o igual a un valor dado Qo

Tr = 1 / P(Q≥Qo) = 1 / ( 1 – (1 – k)1/n

k = riesgo permisible, o probabilidad de ocurrenciadentro de n años de vida útil de la obra

Funciones de Probabilidad P de Eventos Extremos

- Distribución Log Normal- Distribución Los Pearson III- Distribución de Gumbel

Pruebas de Bondad de Ajuste:- Prueba Kolmogorov - Smirnov

2.3 ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS

HIDROGRAMA DE CRECIENTE

Q(m3/s)

t (horas o días)

Las características de un hidrograma de crecientes dependende las características de la cuenca

Rio Llalli - Puno Río Mayo – San Martín

2.3 ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS (Continuación)Una variable importante en hidrología es el caudal

pico, el cual corresponde a la ocurrencia del máximo nivel de agua durante una tormenta

a. CUENCAS PEQUEÑAS (A < 12 Km2)

0 40 mEscala

Carretera Tarapoto - RiojaBadén

Límite de la Cuenca

a. CUENCAS PEQUEÑAS (Continuación)• Las siguientes características describen una cuenca pequeña de áreas menores de aproximadamente 12 Km2:

- Se asume que la lluvia se distribuyeuniformente en el tiempo

- Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el espacio

- La duración de la tormenta generalmente excede el tiempo de concentración

METODO RACIONALEn el caso de no tener registros de caudales, el Método Racional es el método más comunmente usado para el análisis de flujos en pequeñas cuencas. El caudal se obtiene a partir de datos de precipitación:

Q = 0.278 C I AQ = es el caudal pico correspondiente a una

intensidad de lluvia, duración y fecuenciadados, en m3/s

C = coeficiente de escurrimiento (adimensional)I = intensidad de la lluvia , en mm/hA = Area de la cuenca , en Km2

b. CUENCAS INTERMEDIAS

• Se considera a cuencas intermedias a cuencas cuyas éreas se encuentran comprendidas, aproximadamente entre 100 a 1000 Km2. Las siguientes características describen una cuenca mediana:

- La intensidad de la lluvia varia dentro de la duración de la tormenta

- Se asume que la lluvia está uniformemente distribuida en el espacio

b. CUENCAS INTERMEDIAS (Continuación)En el caso de no tener registros de caudales, la Técnica más usada para el estudio de avenidas es la del hidrograma, donde los caudales se obtienen tomando en cuenta las precipitaciones máximas.

- Hidrograma unitario- Hidrograma unitario sintético

El hidrograma unitario es el hidrograma de escorrentía superficial total resultante de un volumen unitario de lluvia neta, uniformente distribuido en espacio y en tiempo. Linsley define al hidrograma unitario como el hidrograma de un centímetro de escorrentía directa de una tormenta de duración especificada

Desarrollo de un Hidrograma Unitario

HIDROGRAMA UNITARIO SINTETICO

• La deducción de los parámetros para definir los Hidrogramas Unitarios Sintéticos se basa en las características geométricas y morfológicas de la cuenca hidrográfica.

• Se han desarrollado varios hidrogramas unitarios, entre los que tenemos el Hidrograma de Snyder

Hidrograma Unitario Sintético de Snyder

-El tiempo de retardo tp = 0.7517 Ct(LxLc)0.3

L = Longitud del río Principal, KmLc = Longitud, a lo largo del río, desde el punto de

interés (puente), hasta el punto más próximo alcentro geométrico de la cuenca

Ct = Coeficiente adimensional, variable entre 1.8 y 2.2, tomando valores menores para cuencas con grandes inclinaciones

Hidrograma Unitario Sintético de Snyder (Continuación)

El caudal pico del Hidrograma Unitario, por milímetro de lluvia neta, esta dado por:

qp = 0.275 Cp A / tp

A = Area de drenaje de la cuenca, Km2Cp = Coeficiente adimensional, variable entre 0.56 y

0.69, tomando valores mayores para cuencas congrandes inclinaciones.

GEOMORFOLOGIA FLUVIAL

1. CLASIFICACION DE LOS RIOSa. Por su edad:

- Ríos Jóvenes - Ríos Maduros - Ríos Viejos

b. Por sus áreas de inundación

- Ríos sin áreas de inundación (confinados)- Ríos con áreas de inundación

Río con áreas deinundación

CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación)

c. Clasificación Morfológica de los Ríos

- Ríos Rectos

- Ríos Trenzados

- Ríos Meándricos

Río Trenzado

Río Meándrico

CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuación)

Lane observó y estudió ríos como el Mississippi, Missouri, y encontró las siguientes relaciones empíricas:

(meandros)0017.04/1 ≤SQ

(trenzado)1.0≥SQ 4/1

2. PROCESOS EROSIVOS

a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS

Características del Flujo en Curvas

ABLa migración de meandros se produce por el continuo proceso de erosión lateral

PUENTE UBICADO EN CURVA - EROSIONES

Estudios de Laboratorio de un Río con Meandros

Despues de 6 horas Despues de 10 horas

b. SOCAVACION GENERAL dg- Cuando ocurre una avenida (Qmax) se

genera una variación en el nivel del lecho del río

- Pueden haber fenómenos de agradación o de socavación

- Los fenómenos de socavación general son muy peligrosos y tienen que ser tomados en cuenta para definir las profundidades de cimentación de los pilares y estribos del puente

EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE

Socavación General

• Es el descenso temporal del fondo de un río producido por una creciente o avenida.

• Se debe al aumento de la capacidad de arrastre del material sólido de la corriente originado por su mayor velocidad.

C. EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONES LOCALES DEL FLUJO (Erosión Local)

Efecto del pilar de un puente

ESPIGONES O ESPOLONES

Características del Flujo alrededor de los espigones

Socavación local

a. Espigón con inclinación hacia aguas arriba

Erosión de ribera

b. Espigón con inclinación hacia aguas abajo

Socavación local

Socavación local

c. Espigón normal al flujo

Socavación local

SOCAVACION LOCAL

• Los procesos de erosión local, se originan en movimientos vorticosos que ocurren al pie de obstáculos puntuales al flujo en un curso fluvial.

• Se circunscribe a un lugar determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración. Rocha (1999)

D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE

3. FLUJO EN UN DE UN RIO

FLUJO EN UN RIO

• Impermanente• No Uniforme• Turbulento• Tri-dimensional

CALCULO DE VARIABLES HIDRAULICAS

EN FLUJO UNIFORME

VELOCIDAD:

Velocidad Media

V = R2/3.S1/2/n (Fórmula de Manning)

R: Radio HidráulicoS: Pendiente de fondon: Coeficiente de rugosidad deManning

Coeficiente de Rugosidad

• Adopta valores de acuerdo a la característica del lecho

• Depende de:Tamaño de partículas de fondoTamaño de formas de fondo

0.011

0.025

0.040

Cemento Liso

Tierra Gravosa

Tierra con Pedrones

nSupeficie

ESFUERZO CORTANTE:

- Esfuerzo Cortante en el fondo(τo)τo=γ.h.Sγ : Peso Específico del Aguah: TiranteS: Pendiente de Fondo

- Perfíl de Esfuerzos Cortantes(τy)• τy=γ.(h-y).S

EN FLUJO NO UNIFORME:

- Flujo Gradualmente Variado- Flujo Rápidamente Variado

GEOMETRIA DEL CAUCE

La geometría del cauce depende principalmente de:

- La descarga Q- Las características del lecho del río- El material de las riberas- El transporte de sedimentos

4. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL RIO

- La construcción de pilares y estribos de un puente, y de las estructuras de protección de las riberas, influyen en el tránsito de avenidas

- Esto hace que existan cambios morfológicos en el río, en la geometría del cauce, en la relación entre los niveles de agua y descarga

AGRADACIÓN PRODUCIDA EN EL CAUCE

Tipos de flujo dentro de un puente (1)

SOCAVACIÓN LOCAL EN PILARES DE PUENTE DE BANOS CORTOS, O ALCANTARILLAS TIPO MARCO

a. TRABAJOS DE RECONOCIMIENTO DE CAMPO

Se debe hacer un reconocimiento inicial de campo:

- Se debe determinar si el río tiene llanuras de inundación o cauces profundos

- Se debe determinar si el río es estáticamente estable, dinámicamente estable, o inestable

- Estudiar las variaciones de los niveles de agua

a. RECONOCIMIENTO DE CAMPO (continuación)

- Estudiar aproximadamente los rangos de variaciones de descargas

- Determinar el ancho de las llanuras de inundación, y las características de los meandros

- Analizar el tipo y granulometría del material del lecho

- Analizar los materiales que conforman las riberas del río

b. ESTUDIOS DE HIDROLOGIA

Los principales datos a obtener del análisis hidrológico son:

- La avenida de diseño (Qmax)- Caudales medios y mínimos- Curva caudal .vs. Tirante en la zona de

construcción del puente

C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTANEN RELACION CON LA UBICACIÓN

DEL PUENTE

ESTUDIO DE LA ZONA DE CRUCE DEL PUENTE

MIGRACIÓN DEL CAUCE PRINCIPAL DEL RIO AFECTANDO AL PUENTE

VISTA DE UN PUENTE DONDE EL RÍO PRESENTA MIGRACIÓN LATERALVISTA DE UN PUENTE DONDE EL RÍO PRESENTA MIGRACIÓN LATERALY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHAY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHA

UNA SELECCIÓN ADECUADADE LA UBICACIÓN DEL PUENTE1 Ubicación no recomendada,

puente en zona de confluencia de tributarios.

2 Puente colocado en curvafuerte, no recomendada

3 Puente en tramo al final decurva

UNA SELECCIÓN ADECUADADE LA UBICACIÓN DEL PUENTE1 Ubicación no recomendada,

puente en zona de confluencia de tributarios.

2 Puente colocado en curvafuerte, no recomendada

3 Puente en tramo al final decurva

ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIÓN DEL PUENTE

ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIÓN DEL PUENTE

1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanicofluvial.

2. Canalización recta de un tramo del río.3. Río con períodos prolongados de niveles bajos.4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente

por aporte de río tributario.5. Puente ubicado aguas abajo de una presa 6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminución de los tirantes aguas abajo del

puente.

1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanicofluvial.

2. Canalización recta de un tramo del río.3. Río con períodos prolongados de niveles bajos.4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente

por aporte de río tributario.5. Puente ubicado aguas abajo de una presa 6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminución de los tirantes aguas abajo del

puente.

ESCARPADO ABANICOALUVIAL

PLANO

•El nivel del cauce se puede elevar.•La dirección del flujo es incierta.•El cauce es inestable

•El nivel del cauce se puede elevar.•La dirección del flujo es incierta.•El cauce es inestable

CRUCE AGUAS ABAJO DE UN ABANICO FLUVIAL

• Mayor pendiente• Mayor velocidad• Aumento del transporte de sedimentos

• Socavación y posible erosiónretrograda

• Inestabilidad de márgenes• El río puede divagar• Peligro de erosión y socavación de las fundaciones

• Mayor pendiente• Mayor velocidad• Aumento del transporte de sedimentos

• Socavación y posible erosiónretrograda

• Inestabilidad de márgenes• El río puede divagar• Peligro de erosión y socavación de las fundaciones

CANALIZACIÓN DE UN TRAMO DEL RÍO

A A

CAUCE PARACAUDALES ALTOS

CAUCE PARACAUDALES BAJOS SECCION A-ACAUCE PARA

CAUDALES ALTOS

CAUCE PARA CAUDALES BAJOS

CURSO CARACTERIZADO POR CAUDALES BAJOSDURANTE PERIODOS MUY PROLONGADOS

• Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho• Aumenta el riesgo de socavación de las pilas en el cauce mayor• Inestabilidad de márgenes.

• Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho• Aumenta el riesgo de socavación de las pilas en el cauce mayor• Inestabilidad de márgenes.

• Contracción del río• Aumento de la velocidad• Erosión general.• Inestabilidad de márgenes

CURSOPRINCIPAL

CERRADO

BARRA

• Contracción del río• Aumento de la velocidad• Erosión general.• Inestabilidad de márgenes

TRIBUTARIO

EXCESO DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEBIDO A LA PRESENCIADE UN TRIBUTARIO INMEDIATAMENTE AGUA ARRIBA

PUENTE CON ABERTURA REDUCIDA POR LA AGRADACIÓN DE SU LECHO

LECHO ORIGINAL

EROSIÓNLOCALIZADA

SOCAVACIÓN APIE DE PRESA

•Socavación del lecho•Posibles cambios morfológicos del río.•Erosión localizada•Posible inestabilidad de márgenes.•Posible destrucción de la estructura por falla de la presa.

•Socavación del lecho•Posibles cambios morfológicos del río.•Erosión localizada•Posible inestabilidad de márgenes.•Posible destrucción de la estructura por falla de la presa.

DESCARGA DE AGUA LIMPIA

LECHO FINAL

REDUCCIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTOS DESDE AGUAS ARRIBA

• Sedimentación• Disminución de la sección del canal• Cambios en la geometría del río• Aumento de los niveles de crecida

• Sedimentación• Disminución de la sección del canal• Cambios en la geometría del río• Aumento de los niveles de crecida

DEPOSICION

REPRESA

AUMENTO DEL NIVEL

ELEVACIÓN DEL NIVEL AGUAS ABAJO

TRIBUTARIO

DISMINUCIÓN DE LOS TIRANTES AGUAS ABAJO DEL PUENTE

EROSIÓN RETROGRADA DISMINUCIÓN

CURSOPRINCIPALTRIB

UTARIO

PUENTEEROSIÓN

RETROGRADA

SEN

TID

ODE

LFL

UJO

• Erosión retrógrada. Socavación local y generalizada.• Inestabilidad de las márgenes

• Erosión retrógrada. Socavación local y generalizada.• Inestabilidad de las márgenes

DEL NIVEL

CURSO PRINCIPAL

D. ESTUDIOS DE HIDRÁULICA PARA EL DISEÑO DE PUENTES

● Cálculo de perfiles de flujo.● Problemas de socavación.● Fuerzas sobre pilares de puentes.● Pasos a seguir en los Estudios Hidráulicos● Control de erosión en puentes y en las

estructuras de protección

Cálculo de los perfiles de flujo

• Ecuación de continuidad• Ecuación de la energía• Ecuación de la cantidad de

movimiento

DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UNPUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION

Tipos de flujo dentro de un puente (1)

Tipos de flujo dentro de un puente (2)

Tipos de socavación• Variaciones del nivel del cauce a lo largo

de río• Socavación por contracción• Socavación local

– En pilares– En estribos– En diques

• Erosión total= General+Contracción+Local

Variaciones del nivel del cauce a lo largo del río (general)

• AgradaciónElevación del nivel del cauce

• Socavación generalDisminución del nivel del cauce

Cálculo de la Socavación - Método de LISCHTVAN-LEBEDIEVPte Rio Tomas Sección 0+010 Aguas Arriba

541.00542.00543.00544.00545.00546.00547.00548.00549.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00

x (m)

Cot

a (m

snm

)

Cota Terreno en estiaje Nivel de aguas Cota Socavada

•Erosión máxima =1.73 m

CÁLCULOS

Socavación local• En pilares• En estribos• En diques• En espigones

ESQUEMA GENERAL DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CON FRENTE REDONDEADO

MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL EN PILARESDE PUENTES

Vórticede

Herradura

Vórticede

Estela

MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL EN PILARESDE PUENTES

Vórticede

Estela

Vórticede

Herradura

ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR

Flujo Flujo

Típico problema de escombros atrapadosen pilar circular.

PRESENCIA DE ESCOMBROS EN PILARES

DE PUENTES

PRESENCIA DE ESCOMBROS EN PILARES

DE PUENTES

VISTA DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBRE PILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR ÉSTE.

COLOCACIÓN DE CAISSONS PARA CIMENTACIÓN DE PILARES DEPUENTES.

Estribo

y LSuperficie de agua

Caudal

Angulo.

Canal Principal

Talud

1:1

Fondosin erosión

Flujo

ESQUEMA GENERAL DE UN ESTRIBO DE PUENTE SOBRE UNRIO

CARACTERISTICAS DEL FLUJO SOBRE UN ESTRIBO DE PUENTE

SENTIDODEL FLUJO

SIMULACIÓN DE SOCAVACIÓN EN ESTRIBO TÍPICO

•En pilares

DIVERSAS CLASES DE EROSIÓN QUE AFECTAN A LOS PUENTES

E. Estructuras de Protección

• Protección de Pilares• Protección de Estribos• Protección de Riberas

Erosión Local

Niveldel lecho

natural Nivel luego de laerosión general

Flujo

Enrocado deprotección

PILAR a

2.5 a

3.0 a

a

PILAR

ENROCADO DE PROTECCION ALREDEDOR DE UN PILAR, RECOMENDADO POR GALES

Protección de Estribos

• Sustituir el material erosionable del fondo, al pie del estribo, con un enrocado

• Colocar en el extremo de cada estribo un dique de encauzamiento o dique guía

PROTECCIÓN DE LOS ESTRIBOS DE PUENTE MEDIANTE CAJAS DE GAVIONES

ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONMEANDMEANDROS.ROS.

Ubicación de diques guía en un puente

Protección de Riberas

• Enrocados de Protección, o conotros elementos

• Diques de encauzamiento• Gaviones• Muros de concreto• Espigones

ENROCADO

OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONES DE GAVIONES

SOCAVACIÓN LOCAL EN GAVIONES COLOCADOSEN LAS MÁRGENES DELRÍO CHILLÓN, PARA PROTEGER LA CARRETERA A CANTAKM 83 , EN 1998

FENÓMENO DEBIDO A LA FALTA DE UNA CAMA DE COLCHONES EN LA PARTE INFERIOR