Análisis Hidrológico e Hidráulico del Puente Hall: Municipio Carchá Departamento de Alta Verapaz

Transcripción

1 Análisis Hidrológico e Hidráulico del Puente Hall: Municipio Carchá Departamento de Alta Verapaz Guatemala, Agosto de

2 1. Resumen Metodología Ubicación geográfica Caracterización de la cuenca de drenaje Características del relieve Características geológicas generales Régimen de precipitación Análisis Hidrológico Información disponible Regionalización de caudales máximos Sistema de drenajes puntuales Análisis hidráulico Descripción del valle Cauce Bancos Determinación de la capacidad hidráulica del puente Hall Conclusiones y recomendaciones Bibliografía

3 Listado de Cuadros Cuadro No. 1 Resumen de caudales de diseño Cuadro No. 2 Resumen de parámetros hidráulicos Cuadro No. 3 Estaciones hidrológicas Cuadro No. 4 Valores de Ktr para distintos períodos de retorno Cuadro No. 5 Caudales máximos, Qmm calculados con la ecuación 1 Cuadro No. 6 Caudales máximos, Qmm calculados con la ecuación 2 Cuadro No. 7 Cálculo del coeficiente de rugosidad Cuadro No. 8 Parámetros hidráulicos sección puente propuesto Lista de figuras Figura No. 1 Figura No. 2 Figura No. 3 Figura No. 4 Figura No. 5 Figura No. 6 Figura No. 7 Figura No. 8 Figura No. 9 Localización de la zona en estudio Cuenca del río Cahabón hasta el puente Hall Promedio de precipitación mensual, estación Cobán Isoyetas de Precipitación media anual Relación QMM versus Area de la cuenca Relación valor modular k versus probabilidad de excedencia Relación valor modular k versus probabilidad de excedencia Planta topográfica, puente Hall Sección hidráulica del puente Hall con los niveles de crecida. 3

4 1. Resumen En el casco urbano del municipio de Carchá en el departamento de Alta Verapaz, se encuentran varios puentes que libran el paso del río Cahabón y de varios afluentes al mismo. Dentro de los puentes existentes está el denominado Hall, para este puente se tiene proyectado mejorar su capacidad por medio de la construcción de un nuevo puente en el mismo lugar. Este trabajo presenta los resultados de la evaluación hidrológica e hidráulica realizada al puente en mención tomando en cuenta los parámetros de diseño del mismo. En el estudio hidrológico se hace una caracterización general de la cuenca en donde se ubica el puente. Las características hidrológicas son propias de la región de lluvia media, en la cual se encuentran claramente definidos los períodos lluviosos y no lluviosos dentro del año calendario. La región se localiza en la cabecera de la cuenca del río Cahabón y se caracteriza por no tener grandes diferencias en las elevaciones de su relieve, es decir el cauce del río tiene pendientes moderadas. Caudales. Para el cálculo de los caudales se utilizó el método del Análisis Regional. El siguiente cuadro muestra la magnitud de los caudales determinados, los cuales se utilizaron en el cálculo hidráulico. Area de Cuenca Periodo retorno Factor K Q MM asociado a la cuenca Caudal máximo km 2 años Qmax/Q MM m 3 /s m 3 /s Cuadro No. 1 Caudales de diseño Estabilidad del cauce. Para el análisis hidráulico del puente, se considera importante tratar el tema geomorfológico por lo que se hace una descripción de los aspectos geomorfológicos más relevantes del cauce, describiendo las características del mismo y su relación con la estabilidad tanto horizontal como vertical y también los riesgos de erosión tanto al cauce, a los bancos así como a las estructuras de soporte del puente. En este sentido se concluye, luego del análisis respectivo que aunque el cauce presenta una sinuosidad importante, la dinámica del mismo en cuanto a su migración es relativamente poca, por lo que el cauce tiende a mantenerse en su posición en el sitio en el que se encuentra la estructura del puente. 1

5 Capacidad hidráulica. Para el cálculo de la capacidad hidráulica del puente, se definió la configuración topográfica del cauce, escogiéndose secciones transversales aguas arriba, aguas abajo y la sección del puente propuesto. Con los volúmenes de los caudales calculados en el apartado de hidrología, se procedió a la simulación de los niveles del puente bajo estudio. Para la modelación se utilizó el modelo hidráulico HEC-Ras. Este software realiza la simulación para obtener los parámetros hidráulicos de cauces naturales para flujo permanente y gradualmente variado. Los siguientes parámetros hidráulicos corresponden a la sección topográfica del puente propuesto. La elevación mostrada corresponde al tirante hidráulico como respuesta al volumen del caudal considerado. Reach River Sta Profile Q Total W.S. Elev Vel Chnl Flow Area (m3/s) (m) (m/s) (m2) cahabon 20 Pr cahabon 20 Pr cahabon 20 Pr Cuadro No. 2 Resumen de parámetros hidráulicos La metodología así como el desarrollo conteniendo las justificaciones y cálculos que sustentan los datos mostrados en cuadros anteriores se resumen a lo largo del informe que se presenta a continuación. 2

6 2. Metodología Durante el desarrollo de este trabajo, se realizaron visitas de campo para la identificación del sitio de interés y para la definición de criterios a utilizarse en los distintos cálculos a realizarse en gabinete. Por medio de la información presentada del diseño y del levantamiento de campo, se procedió a definir las características del cauce de la estructura a evaluar, tomando en cuenta sus dimensiones en cuanto a su sección hidráulica, el tipo de material, su estado físico y algunas consideraciones en el encauzamiento de entrada y condiciones de salida. En cuanto a la información básica hidrológica, se utilizó información que ha sido levantada por el Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología INSIVUMEH y de otros informes estadísticos publicados. Para la definición de la cuenca de drenaje superficial, se realizó con base a imágenes de mapas 1:50,000 editados por el Instituto Geográfico Nacional (IGN). También se contó con imágenes de la cartografía existente en el IGN, así como fotografías e imágenes de satélite disponibles en el IGN. Para la determinación de las características morfométricas de las cuencas, se auxilió con un programa de aplicación SIG (Sistema de Información Geográfica). Para el cálculo de los caudales de distinto período de retorno, se utilizó el método regional basado en análisis de distribución de frecuencias de las crecidas históricas que han sido registradas por medio de estaciones hidrométricas en el río Cahabón. Para el análisis de la capacidad hidráulica de obras de drenaje mayor se utilizó el modelo HEC- RAS, en este método se analizan secciones aguas arriba y aguas abajo de la estructura en estudio. 3. Ubicación geográfica Localización general: Como se observa en el siguiente mapa, el área de estudio se localiza en la parte norte de la república, específicamente en el casco urbano de la cabecera municipal de Carchá en el departamento de Alta Verapaz. Esta población se localiza a aproximadamente 7 kilómetros de la ciudad de Cobán en el Departamento de Alta Verapaz. Puntualmente el puente se localiza en la carretera que comunica al Instituto Adolfo V. Hall del Norte y también es vía alterna para la salida de la población de Carchá hacia el municipio de Cahabón y otros poblados importantes de Alta Verapaz.. 3

7 Región de Carchá Departamento de Alta Verapaz Figura 1 Localización de la zona de estudio. 4. Caracterización de la cuenca de drenaje 4.1 Características del relieve. El área de estudio se encuentra en la parte alta de la cuenca del río Cahabón la cual forma parte de la vertiente del océano Atlántico. Por ubicarse en la zona alta de la cuenca, la topografía no presenta variaciones fuertes importantes, por lo que el desarrollo del río se realiza por un cauce con pendiente suave. Esta característica hace que en algunos tramos del río el cauce tenga la forma meandrica, tal como se observa en la zona alrededor del sitio de estudio. Esta característica es importante resaltar debido a que existen zonas en las cuales existe el riesgo de inundaciones por la poca altura de los bancos laterales y la existencia de algunas partes planas que son susceptibles de desborde del río Cahabón. Las alturas del relieve varían entre 2300 msnm en las partes más altas. La mayoría de la cuenca presenta elevaciones que varían entre los 1500 a 1300 msnm. En la siguiente figura, se muestra la cuenca del río Cahabón hasta el sitio de estudio en la cual se puede observar la forma de la misma. 4

8 Figura 2 Cuenca del río Cahabón hasta el puente Hall Se puede observar que el sistema de drenaje está definido principalmente por un canal principal al cual drenan unos pocos cauces relevantes, dentro de estos cauces se puede mencionar a los ríos Mestelá y Chió. Es importante mencionar que la cuenca cuenta con zonas cuyo relieve es de tipo cárstico, por lo que el sistema de drenaje superficial se combina bastante con el drenaje subterráneo. Durante las lluvias de gran magnitud y duración importante, estas condiciones fisiográficas descritas producen crecidas cuya duración no es instantánea, sino que provoca que los desbordamientos en los lugares vulnerables se manifiesten durante varias horas. Esta característica es importante mencionar ya que en las carreteras que son interrumpidas por este fenómeno, el tiempo de interrupción del tránsito es muy importante. Debido a la condición descrita de cuenca de cabecera, el arrastre de sedimentos y material erosionable durante las avenidas no es importante. Tampoco la erosión de bancos ha provocado daños considerables en el trayecto del cauce en estudio. 4.2 Características geológicas generales Regionalmente se pueden describir las características geológicas de la cuenca mencionando que casi la totalidad de la cuenca está formada por rocas sedimentarias de acuerdo a la siguiente descripción. En la parte alta de la cuenca se manifiestan los grupos CPsr, rocas sedimentarias compuestas por lutitas, areniscas conglomerados y filitas, grupo Pc, rocas sedimentarias del período pérmico con 5

9 características de Formación Chochal y compuesta por carbonatos. Estas dos formaciones ocupan menos del 50 % de la totalidad de la cuenca. En la parte baja de la cuenca se encuentra la formación del grupo Ksd de rocas sedimentarias del período cretácico con carbonatos. 5. Régimen de precipitación La distribución de la lluvia durante el año está caracterizada por una época seca que se extiende desde diciembre hasta marzo. La temporada de lluvias se inicia en promedio en mayo y concluye en octubre. Durante la época de lluvias se registran dos picos de lluvia máxima, que en promedio suceden durante junio y septiembre. El primero de estos picos de lluvia máxima se debe al desplazamiento de la Zona de Convergencia Intertropical. El segundo pico se registra durante Septiembre, y se debe sobre todo al paso de bajas presiones, tormentas y ciclones tropicales por el país o por sus alrededores. Dependiendo de la intensidad de la actividad ciclónica en los alrededores del istmo centroamericano, el segundo pico puede ser mucho más pronunciado que el primero. La prominencia del segundo pico de lluvias es importante, porque constituye la principal fuente de alimentación de los caudales durante la época de estiaje, aunque en esta región, los caudales líquidos de la temporada seca, generan rendimientos mucho mayores que otras zonas de la república. La siguiente gráfica, muestra ilustradamente lo explicado con anterioridad. Pertenece a la estación Cobán, ubicada en la cabecera del Departamento de Alta Verapaz y representa muy bien a la zona en estudio Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Figura No. 3 Promedio de precipitación mensual, Estación Cobán. 6

10 Espacialmente la precipitación en la zona se distribuye como se muestra en el mapa siguiente. Las siguientes isoyetas se construyeron con los datos de precipitación media anual histórica. La precipitación media de la zona varía entre 2000 y 3000 mm anuales. Figura No. 4 Isoyetas de precipitación media anual 6. Análisis Hidrológico 6.1 Información disponible En el río Cahabón han existido estaciones hidrométricas las cuales con distinto período de registro, han llevado el record de los caudales líquidos históricos. Para el análisis hidrológico se tomará en cuenta los datos de las siguientes estaciones: Estación Hidrológica Río Cuenca Area (km 2 ) Chajcar Cahabón Cahabón 881 Cahaboncito Cahabón Cahabón 2625 Chipap Cahabón Cahabón 1773 Chulac Cahabón Cahabón 2510 Valparaiso Cahabón Cahabón 100 Chio Tzunutz Cahabón 63 Cuadro No. 3 Estaciones hidrológicas 7

11 6.2 Regionalización de caudales máximos. La metodología para la estimación de Caudales Máximos se basó en el análisis regional de las 6 estaciones hidrométricas en la cuenca del río Cahabón. El método consiste en obtener una ecuación que relacione el Caudal Máximo Medio (QMM) y el área de la cuenca y también los caudales estandarizados en función de distribuciones de frecuencia. Se realizo la relación entre el promedio de los caudales máximos medios (Crecida índice) QMM (m 3 /s) y el área tributaria A (km 2 ), mediante análisis de regresión se obtuvieron dos ecuaciones, una con ecuación que representa todos los puntos y la otra ecuación que representa la envolvente superior de la serie de puntos. Ecuación 1 Representa todos los puntos QMM = A Ecuación 2 Representa la envolvente superior de los puntos QMM = A En la figura No. 5, se observa la relación de Caudal-Área para las cuencas utilizadas en el análisis y las rectas de la ecuación 1 y 2. De acuerdo a la relación determinada, para el área de la cuenca asociada al punto de interés, se tienen los siguientes valores de QMM Area hasta el puente Hall: km 2 QMM = m 3 /s, para la ecuación 1 y Area hasta el puente Hall: km 2 QMM = m 3 /s, para la ecuación 2 8

12 QMM (m3/s) Q MM = A Ecuación 2 Ecuación 1 Q MM = A R² = Area (km2) Figura No. 5 Relación Q MM versus Area de la cuenca Por medio de un análisis gráfico se encuentra la relación entre la probabilidad de excedencia asociada a los eventos modulares de las crecidas de cada estación hidrométrica. Para este análisis se presentan dos gráficas o figuras, una que representa la relación para cada una de las estaciones las cuales se identifican distintamente y la segunda que presenta la relación de todos los puntos modulares, para esta gráfica se encontró la ecuación que relacionara estos puntos Vlor modular K = Qi / Q MM Chulac Cahaboncito Chajcar Chipap Valparaiso Chió Probabilidad de excedencia (%) Figura No. 6 Relación valor modular k versus probabilidad de excedencia 1.0 9

13 Vlor modular K = Qi / Q MM y = 0.51ln(x) R² = Probabilidad de excedencia (%) 1.00 Figura No. 7 Relación valor modular k versus probabilidad de excedencia 0.10 De acuerdo a la figura anterior el valor de K para los períodos de retorno establecidos son los siguientes: % Frecuencia Período Retorno k = k Tr Cuadro No. 4 Valores de K Tr para distintos períodos de retorno El resumen del cálculo de los caudales es el siguiente: 10

14 Area de Cuenca Periodo retorno Factor K Q MM asociado a la cuenca Caudal máximo km 2 años Qmax/Q MM m 3 /s m 3 /s Cuadro No. 5 Caudales máximos Q MM calculados con la ecuación 1 Area de Cuenca Periodo retorno Factor K Q MM asociado a la cuenca Caudal máximo km 2 años Qmax/Q MM m 3 /s m 3 /s Cuadro No. 6 Caudales máximos Q MM calculados con la ecuación 2 (envolvente superior) 6.3 Sistema de drenajes puntuales. En las cercanías al emplazamiento del puente no existen quebradas ni otro tipo de afluente de escorrentía superficial que requiera de estructuras adicionales para su conducción. Se recomienda que la conducción del agua pluvial proveniente de la calle cuya dirección del drenaje se dirige hacia el puente, se conduzca por medio de cunetas hacia aguas arriba ó aguas abajo del puente tratando que el mismo caiga directamente hacia el río. 7. Análisis hidráulico Antes de analizar la capacidad hidráulica del puente, se realiza una descripción de los aspectos generales geomorfológicos del cauce con la finalidad de conocer sus características relativas a la estabilidad del cauce y su relación con las estructuras de soporte del puente. 11

15 Luego con base a los caudales de diseño y las características geométricas del puente se evalúa la capacidad de descarga de las secciones del mismo. 7.1 Descripción del valle. En general la región se caracteriza por tener una topografía variada con cerros y pequeños valles en los cauces, esta característica es propia de la zona kárstica en la cual se encuentran siguanes y dolinas. Por esta razón no existen valles significativos pero tampoco existen laderas pronunciadas que amenacen riesgos de deslaves ó de desprendimientos de material. 7.2 Cauce El cauce se muestra bastante definido en su recorrido, muestra estabilidad vertical y horizontal. No es muy profundo, pero aparenta tener un área hidráulica suficiente para conducir los caudales normales y de período de retorno anual. El lecho se caracteriza por conformarse de material sedimentario y fino, compuesto por limos y arcillas. Aunque se observan algunas arenas y piedras, éstas no tienen mayor importancia. No se observan rápidos y al momento de la visita no se observa mayor sedimento en suspensión a pesar de estar en plena temporada lluviosa. Aguas abajo del puente sí se observa una pequeña isla. El tipo de drenaje es continuo y perenne. El tipo de flujo se considera uniforme y tranquilo para la temporada seca y durante la temporada lluviosa tiende a desarrollar velocidades importantes, sin embargo puede observarse que debido a las pendientes relativamente bajas, las velocidades no son tan erosivas. No se observan migraciones tanto aguas arriba como aguas abajo. Sin embargo el cauce tiene tendencia a la formación de meandros en partes sinuoso. Vista del puente actual, desde aguas arriba. 12

16 7.3 Bancos Aunque se ha mencionado que el cauce no es tan profundo, los bancos están bien formados y no se aprecia inestabilidad principalmente en el banco izquierdo que tiene menor altura que el banco derecho. Se observa buena la estabilidad de los taludes en ambas márgenes. En el lado derecho se observan algunos árboles y vegetación. Existen algunas casas aguas arriba que podrían estar influenciadas por los niveles de crecidas extremas. Aguas abajo se observa algún tipo de riesgo de erosión en el talud debido a la dirección del flujo durante las crecidas. En el lado izquierdo se observa la carretera que comunica hacia un centro de salud y un centro educativo. Estas obras no se encuentran con riesgos de inundación. 7.4 Determinación de la capacidad hidráulica del puente Hall. Capacidad del cauce. De acuerdo a entrevistas con los vecinos y al análisis de la geomorfología se determina que el puente tiene buena capacidad hidráulica, es decir no ha tenido riesgo latente de inundación, también indican que el huracán Mitch elevó el nivel llegando casi a un metro de alcanzar el puente; estableciéndose además que las aguas de crecidas normales llegan a la mitad de la luz que tiene actualmente el puente. Es importante recalcar que aguas abajo del puente existe una curva hacia la izquierda cuyo efecto sería de contribuir a la obstrucción del flujo y a la elevación del nivel de las crecidas. Evaluación de la capacidad de la sección hidráulica del puente propuesto. Para esta evaluación se considera la topografía del cauce así como los caudales de crecida determinados en esta investigación. Para el cálculo de la capacidad hidráulica de la sección del río donde se emplaza el puente Hall se definió la configuración topográfica del canal, escogiéndose secciones topográficas transversales aguas arriba, aguas abajo y la sección donde se emplaza el puente.. En la planta topográfica que se muestra en la figura No. 8, se muestra el tramo considerado para la configuración topográfica. 13

17 Gráfica No. 8 Planta topográfica, Puente Hall Con los volúmenes de los caudales calculados en el apartado de hidrología, se procedió a la simulación de los niveles del río como respuesta a estos caudales. Para la modelación se utilizó el modelo hidráulico HEC-Ras. Este modelo realiza la simulación para obtener los parámetros hidráulicos de cauces naturales para flujo permanente y gradualmente variado. Para esta modelación se necesita además de la configuración topográfica del cauce y los volúmenes de caudal, el valor de coeficiente de rugosidad expresado por el número de Manning. El número de Manning es un coeficiente que es difícil determinar ya que puede estar en función del criterio del modelador y de la temporada en la cual se determine las características del canal. Con los criterios de la visita de campo y la tabla propuesta por Cowan se realizó la siguiente tabla con los valores asumidos. Banco Izquierdo Canal Banco derecho Material involucrado Canal en tierra 0.02 Canal en tierra 0.02 Canal en tierra 0.02 Grado de irregularidad Suave 0 menor 0 menor 0 Variaciones de la seccion transversal Gradual Gradual Gradual Efecto relativo de las obstrucciones Regular menor 0.01 Regular Vegetación Bajo Bajo Bajo Grados de efectos de meandros Menor 1 menor 1 menor 1 n Cuadro No. 7 Calculo del coeficiente de rugosidad, cauce del río Cahabón, Puente Hall 14

18 Luego de realizar el proceso de simulación con el modelo descrito, se obtuvieron los parámetros hidráulicos de las secciones de interés. En el cuadro que se muestra a continuación se presentan los datos de la salida, en el cual el parámetro WS Elev, corresponde a la elevación de la superficie del agua en la sección y para el evento de caudal considerado. Reach River Sta Profile Q Total W.S. Elev Vel Chnl Flow Area (m3/s) (m) (m/s) (m2) cahabon 20 Pr cahabon 20 Pr cahabon 20 Pr Cuadro No. 8 Parámetros hidráulicos, Sección del río. Puente Hall Modelacion Puente hall, Carcha Plan: Plan 03 19/08/ Legend WS Pr WS Pr 50 WS Pr 25 Ground Bank Sta Elevation (m) Station (m) Figura 9 Sección hidráulica del puente Hall Con los niveles de crecida. 15

19 8. Conclusiones y recomendaciones Conclusiones 8.1 En cuanto a la morfología del cauce, se puede determinar que el mismo tiene relativa estabilidad lateral y horizontal. En el sitio del puente, el cauce no ha tenido migraciones y ha mantenido su posición. 8.2 Con base a observaciones se concluye que el riesgo de socavación es bajo, más aún cuando no existen pilas actuales expuestas a las corrientes del río. 8.3 No existen corrientes naturales cercanas al puente que pudieran afectar la estructura y por lo tanto no se requieren obras de drenaje adicionales a las de la propia estructura. 8.4 De acuerdo a los resultados obtenidos en la simulación, se puede determinar que la sección del puente Hall tiene capacidad para soportar los volúmenes de crecidas. La elevación de la superficie del agua en la sección del puente para una crecida con período de retorno de 50 años llega a la cota m. Para una crecida de 100 años la superficie del agua llega a la cota m. 8.5 De acuerdo a lo observado y a la simulación, se puede concluir que existe el riesgo de que los niveles de crecidas simuladas provoquen inundación parcial en algunas casas ubicadas aguas arriba en la margen derecha del puente. En este riesgo puede influir la relativa obstrucción de los aproches actuales del puente y la curva brusca que tiene el cauce aguas abajo del puente. Recomendaciones 8.6 Con base a los resultados de los niveles de inundación obtenidos, el diseño del puente debe considerar el resguardo respectivo para las estructuras del puente, así como la posibilidad de alejar los aproches hacia ambas márgenes de tal manera de dejar más luz entre los mismos. 8.7 A las autoridades respectivas se recomienda prevenir a los moradores de las viviendas aguas arriba en la margen derecha para que consideren en sus actividades y construcciones los niveles los riesgos de inundación durante crecidas considerables, tal como sucedió durante la tormenta Mitch. 16

20 9. Bibliografía 9.1 Análisis Regional de Crecidas en la República de Guatemala. Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología, INSIVUMEH. Guatemala Intensidades de precipitación en la república de Guatemala y Mapas de isolíneas Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología, INSIVUMEH. Guatemala Análisis regional de frecuencia de avenidas máximas Larios R Tesis 9.4 Hidráulica de Canales Abiertos Ven Te Chow Manual de Instrucciones, Estudios Hidrológicos ONU, Organización Meteorológica Mundial