IMNSA Ingenieros Consultores S.A Ministerio de Agricultura y Ganadería - Programa de Desarrollo Sostenible de la Cuenca Binacional del Río Sixaola

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1 IMNSA Ingenieros Consultores S.A Ministerio de Agricultura y Ganadería - Programa de Desarrollo Sostenible de la Cuenca Binacional del Río Sixaola ESTUDIO HIDROLÓGICO-HIDRÁULICO PARA EL DISEÑO DEL PUENTE SOBRE LA QUEBRADA TRANQUILINO RUTA NACIONAL 801 TALAMANCA, PROVINCIA DE LIMÓN INFORME FINAL REV. 1 Ing. José Pablo Porras Velásquez Ing. Alberto Serrano Pacheco Consultores en Ingeniería Hidráulica e Hidrología San José, Costa Rica Abril 2013

2 PREFACIO El presente estudio fue elaborado para IMNSA Ingenieros Consultores S.A. por los siguientes profesionales: Ing. José Pablo Porras Velásquez, Dr.-Ing., cédula costarricense , ingeniero civil (IC-9300) especialista en ingeniería hidráulica e hidrología y consultor ambiental registrado en SETENA (CI ). Tel , pporras@carboncr.com. Ing. Alberto Serrano Pacheco, Ph.D., cédula costarricense , ingeniero civil (IC-10772) especialista en ingeniería hidráulica e hidrología. Tel , alberto.serrano.cr@gmail.com. Ing. José Pablo Porras Velásquez Cédula IC-9300 Ing. Alberto Serrano Pacheco Cédula IC En la portada: Paso actual sobre la quebrada Tranquilino, Talamanca, Provincia de Limón. CONTROL DE CAMBIOS 1 Revisión general 15 de abril de 2013 J. P. Porras, A. Serrano 0 Primera entrega Informe Final 10 de abril de 2013 J. P. Porras, A. Serrano No. Revisión Descripción Fecha Elaborado por i

3 CONTENIDO PREFACIO... i CONTROL DE CAMBIOS... i CONTENIDO... ii 1 INTRODUCCIÓN CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO UBICACIÓN DEL SITIO DEL PUENTE CARACTERÍSTICAS DE LA QUEBRADA TRANQUILINO EN EL SITIO DEL PUENTE CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA TRANQUILINO Delimitación de la cuenca y caracterización morfométrica Uso y cobertura del suelo Geología y geomorfología CARACTERIZACIÓN CLIMÁTICA REGIONAL Clima Precipitación media Intensidades de precipitación ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO POR EL MÉTODO RACIONAL ESTIMACIÓN DE NIVELES DE CRECIENTE EN EL SITIO DEL PUENTE METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS HIDRÁULICO Modelación hidráulica en HEC-RAS Estimación del coeficiente n de Manning RESULTADOS DEL ANÁLISIS HIDRÁULICO Modelo en HEC-RAS Niveles de agua en el sitio del puente para los caudales de diseño Curvas de descarga de la quebrada Tranquilino en el sitio del puente ESTIMACIÓN DE SOCAVACIÓN POTENCIAL METODOLOGÍAS DE CÁLCULO DE SOCAVACIÓN EN PUENTES Socavación en materiales granulares aluviales Degradación o agradación de largo plazo Socavación general (por contracción) Socavación local RESULTADOS DEL CÁLCULO DEL POTENCIAL HIDRÁULICO DE SOCAVACIÓN ii

4 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS ANEXOS iii

5 1 INTRODUCCIÓN El presente es un Informe con los resultados del Estudio Hidrológico e Hidráulico para el diseño del puente sobre la quebrada Tranquilino, ubicado sobre la Ruta Nacional 801 en el cantón de Talamanca, provincia de Limón. El Estudio tiene como objetivo general estimar las condiciones hidráulicas e hidrológicas y la geometría requerida para un nuevo puente sobre la quebrada Tranquilino en reemplazo del paso existente. Como objetivos específicos se plantearon los siguientes: Análisis hidrológico y estimación de caudales extremos en la quebrada Tranquilino a la altura del puente en cuestión, para diferentes períodos de retorno. Análisis hidráulico del cauce de la quebrada Tranquilino en el tramo correspondiente a las inmediaciones del puente a construir, tomando en cuenta la propuesta geométrica de la nueva estructura, de acuerdo con los requerimientos usuales definidos por el Departamento de Puentes del Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT): altura libre de 1,0 m desde el fondo de viga para la creciente con período de retorno de de 100 años. Determinación de niveles de creciente en el tramo analizado. Determinación preliminar de la profundidad de socavación en los bastiones, de acuerdo con los resultados de los cálculos hidráulicos, aplicando la metodología de la Federal Highway Administration (FHWA NHI ). Determinación de parámetros geométricos para el diseño del puente: luz libre mínima (distancia entre bastiones); altura libre mínima; nivel mínimo inferior de las vigas del puente; niveles mínimos de fundación en función de la socavación potencial estimada; medidas de protección contra la socavación. Para cumplir los objetivos anteriores, se aplicó la siguiente metodología: Para el análisis hidrológico se utilizó el Método Racional, con base en la información intensidadduración-período de retorno de la estación Limón. Con este medio se obtuvieron caudales máximos instantáneos para los diferentes períodos de retorno analizados, los cuales se emplearon como parámetro de entrada para el modelado hidráulico. El análisis hidráulico del tramo de estudio en la quebrada Tranquilino se realizó mediante la aplicación del modelo unidimensional HEC-RAS. Para esto se utilizaron secciones transversales derivadas del levantamiento topográfico del sitio, así como el levantamiento del puente existente y la propuesta geométrica para la nueva estructura, de acuerdo con los requerimientos del MOPT. Se realizaron simulaciones a régimen permanente con el fin de determinar los niveles de la quebrada en las diferentes secciones transversales para los 1

6 diferentes caudales de diseño obtenidos por medio del análisis hidrológico. Como resultado de las simulaciones se obtuvieron, para cada sección y para cada caudal de diseño, parámetros hidráulicos tales como velocidad del flujo, profundidad, elevación del nivel del agua, elevación del nivel de energía y número de Froude, entre otras variables usuales en un modelo de este tipo. Una vez con el análisis hidráulico se procedió a evaluar diferentes fórmulas de socavación (socavación general, socavación local), de acuerdo con la metodología que para este efecto propone la Federal Highway Administration (FHWA NHI ). De esta manera se obtuvieron valores para la estimación de la socavación potencial esperada en la subestructura del puente. Con lo anterior fue posible definir las características geométricas básicas del puente para que este opere bajo condiciones seguras, tanto desde un punto de vista de niveles de agua como de socavación. 2

7 2 CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO 2.1. UBICACIÓN DEL SITIO DEL PUENTE La quebrada Tranquilino es un pequeño curso fluvial efímero, también conocido como quebrada Nímolas, ubicado sobre la ruta nacional 801, en el cantón de Talamanca, provincia de Limón, aproximadamente a 5 km al noreste del poblado de Bratsi. Realiza un corto recorrido en dirección noroeste-suroeste desde el cerro Piedra Grande hacia el río Sixaola (Fig. 2.1). Fig. 2.1 Ubicación del punto del puente sobre la quebrada Tranquilino (Fuente: Hoja cartográfica Amubri, a escala 1:50 000, IGN, 1988) Sitio del puente sobre la quebrada Tranquilino, Talamanca, Limón 3

8 2.2. CARACTERÍSTICAS DE LA QUEBRADA TRANQUILINO EN EL SITIO DEL PUENTE En el sitio actualmente no existe un puente sino que los vehículos atraviesan la quebrada por un vado (Fig. 2.3). El vado está compuesto por un apilamiento de bloques y piedras que permiten controlar los caudales bajos de la quebrada. Sin embargo, al ubicarse el vado en una curva pronunciada de la carretera, el paso resulta estrecho para los vehículos (Fig. 2.4). El sitio proyectado para el puente se ubica unos 50 m aguas arriba de la confluencia de la quebrada con el río Sixaola. El tramo de quebrada presenta una pendiente fuerte, es relativamente rectilíneo y tiene material de fondo grueso, lo cual es típico de torrentes de montaña (Fig. 2.5). Fig. 2.2 Paso actual sobre la quebrada Tranquilino (Talamanca, Limón) 4

9 Fig. 2.3 Paso actual sobre la quebrada Tranquilino (Talamanca, Limón) Fig. 2.4 Tramo de la quebrada Tranquilino aguas abajo del sitio del puente (Talamanca, Limón) 5

10 2.3. CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA TRANQUILINO Delimitación de la cuenca y caracterización morfométrica Con base en la cartografía 1: del Instituto Geográfico Nacional (hoja Amubri), se procedió a trazar la divisoria de aguas de la cuenca hidrográfica de la quebrada Tranquilino, definida en el sitio del puente (Fig. 2.5). Una vez delimitada la cuenca, se procedió a calcular sus características morfológicas (parámetros geométricos, hipsométricos, del cauce principal y de la red de drenaje), tal como se muestra en el Cuadro 2.1. Fig. 2.5 Delimitación de la cuenca de la quebrada Tranquilino (Fuente: Hoja cartográfica Amubri, a escala 1:50 000, IGN, 1988) Sitio del puente sobre la quebrada Tranquilino, Talamanca, Limón 6

11 Cuadro 2.1. Características morfométricas principales de la cuenca de la quebrada Tranquilino. Cartografía base escala 1: Característica Valor Área de drenaje (km 2 ) 0,988 Perímetro (km) 4,028 Índice de compacidad de Gravelius 1,135 Pendiente media de la cuenca (%) 35,8 Elevación media de la cuenca (msnm) 211,25 Elevación máxima de la cuenca (msnm) 406,00 Elevación mínima de la cuenca (msnm) 40,00 Longitud del cauce principal (km) 0,890 Elevación máxima del cauce (msnm) 180,00 Elevación mínima del cauce (msnm) 40,00 Pendiente media del cauce principal (%) 7,04 (Taylor & Schwarz) Número de orden de la cuenca 1 Longitud total de cauces (km) 0,890 Densidad de drenaje (km/km 2 ) 0,901 La cuenca tiene un área de drenaje de 0,988 km 2, y tiene una forma ligeramente alargada (índice de Gravelius de 1,135), con una longitud en su eje mayor de 1,54 km y un ancho promedio de 0,822 km. Se construyó un modelo de elevación digital a partir de las curvas de nivel de la cartografía disponible (Fig. 2.6), el cual muestra la variación de elevaciones en la cuenca y permite ver la topografía escarpada de la misma. La pendiente media de la cuenca se estimó en un 35,8% mediante el análisis hipsométrico y la definición del índice de pendiente. Por lo que se tiene un terreno bastante escarpado en la zona. Esto se puede apreciar en el mapa de pendientes (Fig. 2.7). La red de drenaje está compuesta por un único cauce principal bien definido, de ahí el bajo número de orden de 1. La red de cauces es poco profusa de acuerdo con la cartografía disponible (densidad de drenaje de 0,9 km/km 2 a escala 1:50000), aunque se observa de la topografía la presencia de depresiones naturales por donde se acumula el agua de escorrentía. Pareciera por lo anterior que predomina en la cuenca el flujo en laderas no concentrado. Hasta el punto de control de la cuenca, la quebrada Tranquilino tiene una longitud total de 0,89 km y presenta un perfil longitudinal como el que se muestra en la Fig Del perfil se observan la fuerte pendiente que la quebrada Tranquilino presenta, esto hace que la quebrada se pueda caracterizar como un torrente de montaña. Esto indica que el flujo por la quebrada es de tipo torrencial, lo que conlleva a tener flujo supercrítico en el cauce, asociado a velocidades de flujo altas y profundidades de agua bajas. Como se muestra en la figura, se estimó el valor de pendiente media del cauce por dos métodos: por media aritmética y por un criterio de similitud hidráulica (Taylor y Schwarz), obteniéndose 7

12 valores del 15,73% y 7,04%, respectivamente. Dado el perfil del río, este último valor es el representativo para los procesos hidráulicos que se presentan en la quebrada. Fig. 2.6 Modelo de elevación digital de la quebrada Tranquilino (Fuente: Hoja cartográfica Amubri, a escala 1:50 000, IGN, 1988) 8

13 Fig. 2.7 Mapa de pendientes de la quebrada Tranquilino (Fuente: Hoja cartográfica Amubri, a escala 1:50 000, IGN, 1988) 9

14 Fig. 2.8 Perfil longitudinal de la quebrada Tranquilino hasta el sitio del puente (Fuente: Hoja cartográfica Amubri, a escala 1:50 000, IGN, 1988) Elevación (msnm) Perfil de la quebrada Tranquilina Pendiente media (aritmética) Pendiente media (Taylor & Schwarz) Distancia (m) Uso y cobertura del suelo Para realizar una caracterización del uso y cobertura actuales de la cuenca de la quebrada Tranquilino se recurrió al Atlas, del mapa de cobertura del suelo de Costa Rica del año 2005, desarrollada por el Instituto Tecnológico de Costa Rica (2008). En la Fig. 2.9 se muestra mapa de cobertura de suelo de la cuenca de la quebrada Tranquilino. Con base en el análisis de esta imagen se realizó una clasificación de grandes grupos de coberturas del suelo para determinar los porcentajes para la cuenca tal como se muestra en el Cuadro 2.2. Como se puede apreciar, la cuenca de la quebrada Tranquilino presenta una gran área forestal, alrededor del 70%, y el resto para pastizales y cultivos dispersos. Asimismo, no se presentan en la cuenca uso urbano apreciable, lo cual coincide con lo visto en campo. 10

15 Fig. 2.9 Mapa de cobertura de la cuenca de la quebrada Tranquilino (Fuente: ITCR, 2008) Cuadro 2.2. Coberturas de suelo predominantes en la cuenca de la quebrada Tranquilino Cobertura del suelo Forestal No forestal (pastos) Totales Área Área (km 2 ) 0,694 % Área 70,24 Área (km 2 ) 0,294 % Área 31,02 Área (km 2 ) 0,988 % Área 100,0 11

16 Geología y geomorfología De acuerdo con la información temática disponible en el Atlas Digital de Costa Rica (ITCR, 2008) la zona de estudio presenta formaciones geológicas asociadas a Rocas Sedimentarias, específicamente, a rocas sedimentarios volcanoclásticas, lo cual es común a regiones amplias de la provincia de Limón. Las edades de esta tipo de formación son del Eoceno al Cuaternario. Geológicamente, la cuenca está principalmente constituida de materiales provenientes de los períodos terciario y cuaternario. La clase de rocas corresponden a rocas de origen sedimentario del Terciario (Oligoceno, Mioceno y Plioceno) y Cuaternario (Pleistoceno). Geomorfológicamente, la cuenca de la quebrada Tranquilino se encuentra en la formación de la Cordillera de Talamanca. Las cual presenta una forma de origen tectónico y de erosión, dando terrenos escarpados con fuertes pendientes CARACTERIZACIÓN CLIMÁTICA REGIONAL Clima Climatológicamente el área de estudio se encuentra dentro de la Región Atlántica Sur (Fig. 2.10), según la clasificación del Instituto Meteorológico Nacional (IMN) a partir de criterios regionales de temperatura, precipitación anual y comportamiento estacional de las precipitaciones (Solano y Villalobos, 1997). El régimen de esta región no presenta una estación seca definida pues las lluvias se mantienen entre los 100 y 200 mm en los meses menos lluviosos, lo cual es una cantidad de lluvia considerable. En las zonas costeras se presentan dos períodos relativamente secos. El primero entre febrero y marzo y el segundo entre setiembre y octubre. El primer período seco está en fase con el período seco de la vertiente pacífica, sin embargo, el segundo período coincide con los meses más lluviosos de dicha vertiente. Se presentan dos períodos lluviosos intercalados entre los secos. El primero va de noviembre a enero y es el período máximo de lluvias. El segundo se extiende de mayo a agosto y se caracteriza por un máximo en julio que coincide con el veranillo del Pacífico. El mes más lluvioso es diciembre, el cual se encuentra influenciado por los efectos de frentes fríos provenientes del Hemisferio Norte los cuales se presentan entre noviembre y mayo, pero con mayor posibilidad de afectación entre noviembre y marzo. Las lluvias ocurren con mayor probabilidad en horas de la noche y la mañana. 12

17 Fig Mapa de regiones y subregiones climáticas de Costa Rica. Instituto Meteorológico Nacional (Solano y Villalobos, 1997) Precipitación media El Instituto Meteorológico Nacional (IMN) cuenta con pocas estaciones pluviométricas en la provincia de Limón, de las cuales las estaciones Limón (Limón) es las más cercanas y representativas de la cuenca de la quebrada Tranquilino. La información de precipitación media mensual para la estación en mención se presenta en el Cuadro 2.3. Nótese la gran cantidad de precipitación que cae en la zona, característico de la Región Caribe. Del cuadro, se puede notar que los meses más lluviosos son julio y diciembre, siendo estos meses los que presentan mayor cantidad en promedio de días con lluvia. 13

18 Cuadro 2.3. Datos meteorológicos de la estación Limón. (Fuente: IMN) Mes Temperatura media ( C) Mínimo Máximo Precipitación total media (mm) Promedio de días con lluvia Enero 20,7 28,9 319,7 19 Febrero 20,7 29,1 238,6 16 Marzo 21,2 29,7 206,9 17 Abril 22,0 30,1 264,8 16 Mayo 22,8 30,4 336,2 19 Junio 22,9 30,3 290,6 19 Julio 22,6 29,7 424,1 22 Agosto 22,5 30,1 301,0 19 Setiembre 22,5 30,6 142,2 14 Octubre 22,2 30,4 208,4 17 Noviembre 21,9 29,4 396,9 18 Diciembre 21,2 28,9 447, Intensidades de precipitación Para la estimación de caudales en pequeñas cuencas sin mediciones fluviográficas, es común recurrir a modelos de precipitación-escorrentía, que permiten calcular hidrogramas de crecientes o caudales pico a partir de las características de las lluvias en la región de análisis. Estos modelos requieren definir tormentas de diseño o intensidades de diseño, lo cual usualmente se realiza por medio de curvas intensidad-duración-período de retorno (curvas IDF) representativas del área de estudio y derivadas a partir de registros pluviográficos. De acuerdo con la ubicación del Área de Estudio y con la información disponible de relaciones IDF para Costa Rica, se tomó como referencia la estación Limón para obtener información básica de intensidades extremas para los análisis hidrológicos del presente Estudio. Según Vahrson et.al. (1992), la intensidad máxima de la lluvia esperada en dicha estación en función de la duración de la lluvia y el período de retorno, se puede expresar como: ( d ) + ( 21,7857 3,13747 ln( d )) ln( TR) i = 155,052 25,8865 ln con i es la intensidad de la lluvia, en mm/hr, d es la duración de la precipitación, en minutos, y TR es el periodo de retorno, en años. 14

19 La Fig presenta las curvas de intensidad-duración-período de retorno (IDF) del estudio de Vahrson et.al. (1992) para diferentes períodos de retorno entre 1 y 100 años y para duraciones de lluvia de hasta 120 minutos. Fig Curvas IDF para la estación Limón (según Vahrson et.al., 1992) Intensidad (mm/hr) TR = 1 año TR = 2 años TR = 5 años TR = 10 años Duración de la precipitación (minutos) 15

20 3 ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO La cuenca de la quebrada Tranquilino no tiene mediciones ni registros continuos de caudal, por lo que no se dispone de información directa para estimar los caudales de diseño para el puente sobre este curso de agua. Ante esta situación, y tomando en cuenta las características de la cuenca descritas en el capítulo anterior, se decidió emplear el Método Racional para la estimación de los caudales máximos instantáneos para el sitio del puente, basados en la relación intensidad-duración-frecuencia de la estación Limón, desarrollada por Vahrson et al. (1992). Se consideraron períodos de retorno de entre 1 y 100 años para efectos de obtener caudales de diseño para los posteriores análisis hidráulicos ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO POR EL MÉTODO RACIONAL El Método Racional se basa en el concepto de que el caudal máximo instantáneo que se puede generar a partir de la escorrentía de una cierta área de drenaje es directamente proporcional a la intensidad de la lluvia para una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca. La constante de proporcionalidad es el producto del área superficial de drenaje y de un coeficiente de escorrentía, definido por las pendientes del sitio y por la cobertura del suelo: Q max C A = 3,6 i tc donde Qmax es el caudal máximo instantáneo (m 3 /s), C es el coeficiente de escorrentía, A el área superficial de drenaje (km 2 ) e itc la intensidad de la lluvia para el tiempo de concentración del área de drenaje (mm/hr). Este método es aplicable en cuencas pequeñas, donde se pueda cumplir la premisa fundamental de que la lluvia abarcará toda el área de forma uniforme y constante a lo largo de la duración de la tormenta. Para la aplicación del método basta con conocer el área de la cuenca y su tiempo de concentración, así como contar con curvas IDF que permitan estimar intensidades de lluvia para los períodos de retorno de interés. Adicionalmente, es necesario estimar el coeficiente de escorrentía, lo cual se puede hacer mediante el análisis del uso y cobertura del suelo en la cuenca, la pendiente del terreno y el periodo de retorno que se desea analizar. Empleando los mapas de cobertura del suelo y de pendientes de la cuenca de la quebrada Tranquilino, asimismo, los datos tabulados en referencias bibliográficas (Chow et.al. 1994, Viessman, 2003) se realizó la estimación del coeficiente de escorrentía ponderado para la cuenca de la quebrada Tranquilino hasta el sitio del puente. El Cuadro 3.1 muestra el resumen de esta estimación. 16

21 Cuadro 3.1. Definición del coeficiente de escorrentía para la cuenca de la quebrada Tranquilino Cobertura Pendiente Porcentaje TR = 1 TR = 5 TR = 10 TR = 25 TR = 50 TR = 100 Plano, 0 a 2% 1,82 0,22 0,25 0,28 0, Forestal Promedio, 2 a 7% 0,59 0,31 0,34 0,36 0, Superior a 7% 66,58 0,35 0,39 0,41 0, Plano, 0 a 2% 0,84 0,25 0,28 0,3 0, No forestal Promedio, 2 a 7% 0,27 0,33 0,36 0,38 0, Superior a 7% 29,92 0,37 0,40 0,42 0, Coeficiente de escorrentía ponderado C 0, ,410 0,450 0,480 0,520 Para la estimación del tiempo de concentración de la cuenca se empleó la ecuación de la Instrucción de Drenaje de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas de España (Témez, 2003): t c L = ( s) 0,76 donde tc es el tiempo de concentración (en minutos), s es la pendiente del cauce y L es la longitud del cauce (en km). De acuerdo con las características de la quebrada Tranquilino, el tiempo de concentración estimado con esta fórmula es de 8,55 minutos. Este valor difiere del estimado por Kirpich, ya que conceptualmente está asociado a la duración base del hidrograma de creciente y no al tiempo de retardo como presuponen el método del SCS y la ecuación de Kirpich. De acuerdo con Témez (2003), este tipo de fórmulas son las recomendadas para la aplicación del Método Racional, ya que permiten obtener un valor de tiempo de tránsito más adecuado a los supuestos de dicho método. A partir de este valor, se estimaron las intensidades de lluvia de diseño (curvas IDF de Llano Grande de Liberia) y se aplicó la fórmula racional para obtener los caudales pico para períodos de retorno de entre 1 y 100 años (Cuadro 3.2). 17

22 Cuadro 3.2. Resultados de la aplicación del Método Racional en la cuenca de la quebrada Tranquilino A=0,988 km 2 tc =5,05 min Cobertura del suelo TR = 1 año TR = 5 años TR = 10 años TR = 25 años TR = 50 años TR = 100 años Coeficiente de escorrentía Intensidad de la lluvia (mm/hr) 0,353 0,390 0,410 0,450 0,480 0, ,70 140,00 151,58 166,89 178,47 190,04 Q pico (m 3 /s) 11,62 14,40 16,40 19,80 22,60 26,05 18

23 4 ESTIMACIÓN DE NIVELES DE CRECIENTE EN EL SITIO DEL PUENTE 4.1. METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS HIDRÁULICO Modelación hidráulica en HEC-RAS El modelo seleccionado para la simulación hidráulica fue el programa HEC-RAS (River Analysis System del Hydrologic Engineering Center del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos). Este modelo unidimensional se basa en el cálculo de Flujo Gradualmente Variado (FGV) mediante la solución de la ecuación de energía en una dimensión. Considera las pérdidas de energía producto de la fricción a lo largo del cauce y de procesos de expansión y contracción del flujo. Para casos de Flujo Rápidamente Variado (FRV), como saltos hidráulicos, confluencias y flujo en puentes el modelo incorpora la solución de la ecuación de momentum del flujo. Las características específicas del modelo, su fundamente hidráulico y sus formulaciones y métodos de solución numéricos son tratados ampliamente en USACE (2010), documento que puede utilizarse como referencia hidráulica del modelo. Para la quebrada objeto del presente estudio, el uso de un modelo hidráulico unidimensional como el RAS es suficiente y adecuado para estimar las características del flujo, en particular los niveles para los caudales de diseño y los parámetros hidráulicos relacionados con los cálculos de socavación. El modelo HEC-RAS requiere la inclusión de la geometría de las secciones transversales, a partir de las cuales se obtienen los parámetros hidráulicos de las secciones para el cálculo de las condiciones de flujo analizadas. Para lograr una correcta aplicación del modelo unidimensional, se utilizaron secciones transversales detalladas y se definieron tramos de análisis y separación de secciones adecuadas para la variación esperada del gradiente de energía en condición de crecientes. La resistencia al flujo se modela mediante el coeficiente n de Manning, el cual puede ser variado a lo ancho de la sección transversal y a lo largo del tramo analizado. El modelo también requiere de la fijación de condiciones de frontera, las cuales se pueden especificar como condiciones de profundidad crítica o profundidad normal, como un nivel de agua conocido o como una curva de descarga, tanto aguas arriba como aguas abajo del tramo correspondiente. En el caso del presente estudio, se realizó el modelado en régimen permanente, es decir, sin considerar la variación del flujo en el tiempo. El modelo supone que las secciones de la quebrada (tanto transversal como longitudinalmente) son fronteras rígidas y de esta forma distribuye la totalidad del caudal llenando horizontalmente la sección de la quebrada hasta alcanzar la capacidad hidráulica necesaria para la avenida que se está simulando. Estos cálculos los puede realizar en régimen supercrítico, régimen subcrítico o en un régimen mixto que evalúa las condiciones hidráulicas sección por sección. 19

24 HEC-RAS permite incluir puentes dentro de su modelo geométrico. Un módulo específico para tal fin permite incluir el puente como una sección transversal especial, pudiéndose incluir la geometría del cauce justo bajo el puente, de la superestructura y de los bastiones y pilas de puente. Junto con la geometría se puede especificar la rugosidad de este tramo y se pueden manejar una serie de variables sobre el método de resolución del flujo bajo el puente. Para una descripción más detallada de cómo el HEC-RAS modela el flujo bajo los puentes, se puede referir nuevamente a USACE (2010). Los datos de entrada que utiliza el modelo HEC RAS son la geometría del cauce y del puente (perfiles y secciones transversales obtenidos de las campañas topográficas); los coeficientes de rugosidad estimados para cada tramo de cauce según las observaciones en sitio; las condiciones de frontera, aguas arriba y aguas abajo del tramo, específicas para cada caso; y los caudales de diseño para los diferentes períodos de retorno a analizar. Los resultados del modelo hidráulico se obtienen tabularmente como un resumen completo de las condiciones hidráulicas de cada sección transversal (niveles de agua y energía, caudal, velocidad, profundidad, área, radio hidráulico, número de Froude, entre otros) y también gráficamente en cada sección transversal y en el perfil de la quebrada Estimación del coeficiente n de Manning Los modelos hidráulicos en general, incluido el HEC-RAS, incluyen dentro de sus formulaciones numéricas un término que representa la resistencia al flujo en canales. Este término incluye a su vez un coeficiente de rugosidad, el cual representa el efecto de resistencia al flujo de las superficies del fondo y de las paredes del canal. Una de las ecuaciones de resistencia más utilizadas en la hidráulica fluvial es la ecuación de Manning, la cual se puede escribir como: donde: 1 v = n 2 3 sr H v: es la velocidad media en la sección transversal n: es el coeficiente de rugosidad de Manning s: es la pendiente de la línea de energía del flujo RH: es el radio hidráulico de la sección transversal de flujo En el caso de la ecuación de Manning, el parámetro n (llamado comúnmente "n de Manning") es el coeficiente de rugosidad utilizado, el cual representa las condiciones imperantes en la sección transversal y el cual depende de una cantidad de factores, como la rugosidad absoluta de los materiales en el lecho y los bancos del cauce, de las irregularidades del mismo, de la presencia de obstrucciones y vegetación, del régimen de transporte de sedimentos y del régimen de flujo. 20

25 Existen diversas metodologías para estimar el coeficiente de Manning en un cauce natural. Estas metodologías tienen en común el cálculo de un valor base de n en función de la rugosidad absoluta o de la granulometría de los materiales del lecho. Para ello existen metodologías empíricas y fórmulas analíticas. Algunas de las fórmulas analíticas más comunes utilizadas para este fin tienen la forma y concepto de las ecuaciones de Strickler, Hey y Limerinos (Chang 1992, USACE 1994, USACE 2010, García 2007, entre otros): Strickler: n = 1/ 6 0,0474ks donde ks (en metros) está correlacionado con el tamaño de la partícula, usualmente con el d50. Supone condiciones de lecho rígido y una variación de n sólo con la rugosidad absoluta del lecho. Hey: 1 f 11,75R = 2,03log 3,5d 84 H n = R 1/ 6 H 8,86 f donde RH es el radio hidráulico del flujo, d84 es el tamaño de partícula (para el que el 84% del sedimento es más fino) y f el factor de fricción de Darcy-Weisbach. Esta ecuación es del tipo Keulegan para lecho rígido, ecuaciones semi-logarítmicas que se basan en la ecuación de Prandtl-von Karman ya que la fricción en la frontera del canal crea una capa de cortante similar a la capa límite en tuberías. Estas ecuaciones demuestran que la resistencia al flujo aumenta para tirantes bajos. Limerinos: 1/ 6 0,0926RH n = R 1,16 + 2log d donde RH es el radio hidráulico del flujo y d84 es el tamaño de partícula (para el que el 84% del sedimento es más fino). Esta ecuación está derivada para fondos móviles y materiales relativamente gruesos (arenas gruesas y gravas) y es aplicable sólo en la ausencia de formas de fondo (e.g. dunas) y en el régimen alto de transporte de sedimentos. H 84 21

26 Existen asimismo otro tipo de metodologías, en donde el n base para un cauce se escoge empíricamente a través de tablas y fotografías que describen y muestran las características más relevantes de los cauces. Esta es una metodología muy generalizada y práctica, desarrollada inicialmente por Chow en 1959 y posteriormente desarrollada por Arcement y Schneider en su texto Guide for selecting Manning s Roughness Coefficients for natural Channels and Flood Plains (1989). Según estos autores, el valor de n de Manning para el cauce principal se obtiene de la siguiente fórmula, propuesta originalmente por Cowan (Chow, 1994): = ( n + n + n + n n )m donde: n b nb: es el valor de base para un canal recto, uniforme y liso conformado por materiales naturales n1: factor de corrección por irregularidades presentes en la superficie n2: valor para variaciones en forma y tamaño de la sección transversal del canal n3: valor para obstrucciones presentes n4: valor para presencia de vegetación y condiciones de flujo m: factor de corrección por el efecto de la sinuosidad a lo largo del cauce Los autores recomiendan obtener los valores de nb de una tabla que proponen (Cuadro 4.1), o realizar estimaciones con las ecuaciones analíticas como las referidas anteriormente: Cuadro 4.1. Valores base para la n de Manning (según Arcement y Schneider, 1989) Material del fondo Tamaño medio del material (mm) Canal recto y uniforme Valor base de n Canal liso Concreto --- 0,012 0,018 0,011 Roca ,025 Suelo firme --- 0,025 0,032 0,020 Arena gruesa 1-2 0,026 0, Gravas finas ,024 Gravas ,028 0, Gravas gruesas ,026 Pequeños cantos rodados ,030 0, Cantos rodados >256 0,040 0,

27 Los coeficientes de ajuste n1, n2, n3, n4 y m, se obtienen de tablas que los autores ofrecen para tal fin (Cuadro 4.2). Cuadro 4.2. Valores de ajuste para la estimación de la n de Manning (según Arcement y Schneider, 1989) Grado de irregularidad (n1) Grado de irregularidad Valor de ajuste n1 Liso 0,000 Menor 0,001 0,005 Moderada 0,006 0,010 Severa 0,011 0,020 Variación en la sección transversal del cauce (n2) Variación en la sección transversal del cauce Valor de ajuste n2 Gradual 0,000 Alternan ocasionalmente 0,001 0,005 Alternan frecuentemente 0,010 0,015 Efecto de obstrucciones (n3) Efecto de obstrucciones Despreciable (ocupa menos del 5% del área de la sección transversal) Menor (ocupa menos del 15% del área de la sección transversal) Apreciable (ocupa entre el 15% y el 50% del área de la sección transversal) Severo (ocupa más del 50% del área de la sección transversal) Valor de ajuste n3 0,000 0,004 0,005 0,015 0,020 0,030 0,040 0,050 23

28 Cantidad de vegetación (n4) Cantidad de vegetación Valor de ajuste n4 Pequeña 0,002 0,010 Mediana 0,010 0,025 Grande 0,025 0,050 Muy grande 0,050 0,100 Grado de sinuosidad (m) Grado de sinuosidad Menor (Relación entre longitud real del cauce y longitud en línea recta entre 1 y 1,2) Apreciable (Relación entre longitud real del cauce y longitud en línea recta entre 1,2 y 1,5) Severo (Relación entre longitud real del cauce y longitud en línea recta mayor a 1,5) Valor de ajuste m 1 1,15 1, RESULTADOS DEL ANÁLISIS HIDRÁULICO Modelo en HEC-RAS Características geométricas e hidráulicas del modelo Para construir el modelo de la quebrada Tranquilino en el programa HEC-RAS se contó con el levantamiento topográfico 1 de un tramo de 180 m, que cubre 167 m aguas arriba y 13 m aguas abajo a partir del sitio del puente. La longitud del tramo fue definida en función de las características hidráulicas del río y resultó suficiente para el modelado hidráulico. La corta extensión del tramo aguas abajo del puente responde a la cercanía del río Sixaola. A partir del levantamiento topográfico, realizado mediante una combinación de perfiles perpendiculares al cauce y el levantamiento de una nube puntos 1 El levantamiento topográfico del sitio del puente fue hecho empleando un sistema de referencia local de elevaciones, específico al sitio, por lo que no necesariamente está ligado a las elevaciones absolutas del sistema nacional. Por esta razón, las elevaciones a lo largo del presente Informe se denotan con msnm*, para distinguirlas de elevaciones absolutas. 24

29 en las inmediaciones del río, se elaboró un plano topográfico detallado con curvas de nivel (Fig. 4.1), y se generó una superficie tridimensional del cauce. A partir de la superficie tridimensional digital se generaron secciones transversales espaciadas, en promedio, a cada 20 metros y con una extensión media de 10 m a cada lado del eje del río. En total, 12 secciones transversales conformaron el modelo hidráulico final de la quebrada Tranquilino. La Fig. 4.2 muestra la planta del modelo en el programa HEC-RAS, con la ubicación de las secciones transversales. Fig Vista en planta del levantamiento topográfico de la quebrada Tranquilino 25

30 Fig Vista en planta del modelo de la quebrada Tranquilino en HEC-RAS Qu eb T r an q u i l i no 100 Queb Tranq uilino Para definir las condiciones de frontera del modelo se analizaron las características prevalecientes en el cauce. Aguas arriba no existen elementos físicos específicos que definan un control hidráulico por lo que se establece una condición de flujo normal con pendiente de 5,0%, característica de la parte aguas arriba del tramo. Aguas abajo se definió como condición de frontera un nivel alto del río Sixaola. De acuerdo con el comportamiento de dicho río y la topografía local, se fijó esta elevación conservadoramente a la cota 58,00 msnm*. En cuanto al coeficiente de rugosidad de Manning, para el cauce de la quebrada Tranquilino se tomó un valor de n base de 0,035, correspondiente a la textura y granulometría de los materiales presentes en el cauce (Fig. 4.3). La irregularidad baja de las formas del canal, la presencia de obstrucciones y una cantidad media de vegetación en las márgenes del cauce dan como resultado un coeficiente de Manning de 0,042 en el cauce a lo largo del tramo modelado. Para las llanuras de inundación, ubicadas por encima de los bancos del cauce principal y que presentan una topografía plana y con presencia importante de vegetación, se estimó un coeficiente de 0,050. Se estima que en todo el tramo analizado las condiciones de rugosidad de las llanuras de inundación se conservan, por lo que se usó un valor general para todas las secciones transversales. 26

31 Fig Condiciones del cauce de la quebrada Tranquilino Para las simulaciones, se evaluaron los caudales estimados para períodos de retorno de entre 1 y 100 años de período de retorno, de acuerdo con los resultados del capítulo anterior. Un resumen de las características del modelo se presenta en el Cuadro

32 Cuadro 4.3. Resumen de parámetros del modelo de la quebrada Tranquilino en HEC-RAS Características geométricas Número de secciones 12 Estación aguas abajo 0+000,00 Estación puente (propuesta) Estación aguas arriba 0+180,00 Condiciones de frontera Condición de frontera aguas abajo Condición de frontera aguas arriba Elevación río Sixaola 58,00 msnm* Profundidad normal s=5,0% Coeficientes de rugosidad (Manning) Cauce principal 0,042 Planicies de inundación 0,05 Condiciones de caudal Q1años 11,62 m 3 /s Q5años 14,40 m 3 /s Q10años 16,40 m 3 /s Q25años 19,80 m 3 /s Q50años 22,60 m 3 /s Q100años 26,05 m 3 /s Propuesta geométrica para el puente La propuesta geométrica inicial del puente, a nivel de anteproyecto, se planteó de acuerdo con criterios estructurales, viales y constructivos, quedando en una segunda etapa la verificación hidráulica de la estructura, objeto del presente Estudio. En el caso de la quebrada Tranquilino, se definió el alineamiento horizontal por criterios de diseño vial, siguiendo el trazado actual de la calle, tal como se aprecia en la Fig La elevación y sección transversal (Fig. 4.5) se definieron inicialmente de acuerdo con las características del sitio con particular consideración del nivel de rasante de la calle actual y los niveles del fondo y bancos del cauce. Dicha propuesta inicial incluyó un realineamiento para eliminar la curva de la calle y una elevación de la rasante de la calle en el puente y rampas de aproximación. Para incluir el puente en el 28

33 modelo HEC-RAS se empleó el módulo de puentes, en el cual se esquematiza la geometría propuesta (Fig. 4.6) y se definen los criterios de cálculo hidráulico. El proceso de verificación y definición de propuesta geométrica final se llevó a cabo iterativamente, realizando simulaciones en HEC-RAS con la propuesta inicial y planteando cambios en la geometría que permitieran cumplir con los criterios usuales del Departamento de Puentes del MOPT para puentes en carreteras nacionales: particularmente que el puente cuente con una altura libre de 1,0 m entre el nivel del agua y el nivel de fondo de viga. Tras los análisis iniciales, se determinó que la luz propuesta inicialmente para el puente era adecuada (de hecho, la luz propuesta no es requerida por razones hidráulicas sino viales) pero que era necesario subir el nivel de rasante para considerar el efecto del cercano río Sixaola. Los resultados del modelado hidráulico para la propuesta final del puente se presentan en detalle en el siguiente apartado. Un resumen de las características geométricas finales del puente se muestra en el Cuadro 4.4, las cuales describen la sección hidráulica mínima con la que debe implantarse el puente para contar con suficiente capacidad y condiciones adecuadas de flujo. Fig Propuesta de geométrica (alineamiento en planta) para el puente sobre la quebrada Tranquilino (Talamanca, Limón) 29

34 Fig Propuesta de geométrica (elevación y sección transversal) para el puente sobre la quebrada Tranquilino (Talamanca, Limón) Fig Vista en elevación de la propuesta de puente sobre la quebrada Tranquilino en el modelo HEC- RAS RS=12.92 Upstream (Bridge) Legend Ground Ineff Bank Sta Elevation (m) RS=12.92 Downstream (Bridge) Elevation (m) Station (m) 30

35 Cuadro 4.4. Resumen de parámetros geométricos de la propuesta de puente sobre la quebrada Tranquilino (Talamanca, Limón) Parámetro geométrico Luz libre estructural Luz efectiva (entre caras verticales de bastiones Taludes de sección interna Nivel rasante calle en el puente Nivel inferior de viga Nivel mínimo de fondo de cauce Altura entre fondo de cauce y fondo de viga Ancho mínimo de fondo de cauce Valor 45,00 m 44,50 m 2,0H:1,0V 61,24 msnm* 59,00 msnm* 53,27 msnm* 5,73 m 24,0 m Niveles de agua en el sitio del puente para los caudales de diseño Las simulaciones en HEC-RAS, mediante cálculos a régimen mixto, tanto supercrítico como subcrítico, permitieron obtener las condiciones de flujo de la quebrada Tranquilino en el tramo del puente. La Fig. 4.7 muestra el perfil de la quebrada para los caudales de 1 a 100 años de período de retorno. La Fig. 4.8 ilustra mediante una vista tridimensional los niveles de agua en la quebrada para caudales de 1 y 100 años de período de retorno. La Fig. 4.9 muestra los niveles de agua en la sección del puente para los caudales analizados. El Cuadro 4.5 resume las principales características del flujo de la quebrada Tranquilino en las secciones inmediatamente aguas abajo y aguas arriba del sitio del puente, para el caudal de diseño de 100 años. En el Anexo se incluye el detalle de los resultados obtenidos en las simulaciones con HEC-RAS. Resultados en perfil y secciones transversales El perfil de la quebrada (Fig. 4.7) muestra condiciones supercríticas en todo el tramo analizado. La excepción a esta condición es en las inmediaciones del puente, donde los niveles del río Sixaola generan un gran remanso que se extiende por unos 50 m hacia aguas arriba. En el tramo no afectado por el río Sixaola, los tirantes del agua no sobrepasan 1,0 m y las velocidades del flujo superan los 5 m/s para los caudales mayores. Por el contrario, en el sector afectado por el remanso las profundidades del flujo pueden superar los 5,0 m y las velocidades se reducen a menos de 1,0 m/s. 31

36 La extensión de la superficie de inundación se aprecia en la Fig Ahí se puede observar que tanto para el caudal con período de retorno de 1 año como para el de 100 años el cauce es capaz de contener la quebrada dentro de sus márgenes, sin causar desbordamientos. Sin embargo, esta condición cambia con las crecientes del río Sixaola, las cuales crean desbordamientos generalizados en el sector de la carretera. Debido a la configuración del puente, en particular a su elevación, esta estructura no se verá sobrepasada por el agua. Aún así, parte del camino de acceso sí lo podrá llegar a estar, por lo que el paso por el puente se vería restringido durante dichas condiciones. Los resultados en la sección del puente (Fig. 4.9) indican que la geometría propuesta para el nuevo puente permite cumplir con la premisa de diseño de altura libre de 1,0 m con respecto al nivel del agua para el caudal de 100 años de período de retorno (26,05 m 3 /s). En este caso el nivel de agua para dicho caudal es de 58,01 msnm*, nivel que se ubica 1,00 m por debajo del nivel de fondo de vigas propuesto (59,00 msnm*). Por lo tanto, se concluye que el criterio hidráulico no es el que rige para la implantación y geometría del puente. Fig Perfil de la quebrada Tranquilino mostrando los resultados de las simulaciones en HEC-RAS (Puente propuesto) Caudales de 1 a 100 años de período de retorno Queb_Tranquilino Plan: Plan 01 18/04/2013 Queb Tranq uilino Queb Tranq uilino Legend EG TR100a EG TR50a EG TR25a EG TR10a EG TR5a EG TR1a WS TR25a WS TR5a WS TR50a WS TR10a Elevation (m) WS TR100a WS TR1a Ground LOB ROB Main Channel Distance (m) 32

37 Fig Vista tridimensional de los niveles de inundación de la quebrada Tranquilino mostrando los resultados de las simulaciones en HEC-RAS (Puente propuesto) Caudal de 1 año de período de retorno Queb_Tranquilino Plan: Plan 01 18/04/2013 Legend WS TR1a Ground Ineff Bank Sta Caudal de 100 años de período de retorno Queb_Tranquilino Plan: Plan 01 18/04/ Legend WS TR100a Ground Ineff Bank Sta

38 Fig Sección del puente existente sobre la quebrada Tranquilino mostrando los resultados de las simulaciones en HEC-RAS (Puente propuesto) Caudales de 1 a 100 años de período de retorno Queb_Tranquilino Plan: Plan 01 18/04/ Le gend Elevation (m) Station (m) EG T R100a WS TR100a EG TR50a WS TR50a EG TR25a WS TR25a EG TR10a WS TR10a EG TR5a WS TR5a EG TR1a WS TR1a 0.0 m/s 0.2 m/s 0.4 m/s 0.6 m/s 0.8 m/s 1.0 m/s Ground Ineff Bank Sta Cuadro 4.5. Resumen de resultados del modelo de la quebrada Tranquilino en HEC-RAS para secciones cercanas al eje propuesto para el puente (condición actual) Q100 = 26,05 m 3 /s Sección (a. arriba) (puente) (a. abajo) Elevación fondo del cauce (msnm*) Elevación del agua (msnm*) Elevación línea de energía (msnm*) Velocidad media cauce (m/s) Froude cauce 53,55 57,98 58,03 1,08 0,18 53,27 58,01 58,01 0,22 0,04 52, ,01 0,63 0,09 34

39 Curvas de descarga de la quebrada Tranquilino en el sitio del puente Con los resultados del modelo en HEC-RAS fue posible generar curvas de descarga para el puente propuesto sobre la quebrada Tranquilino. Estas curvas muestran la relación entre diferentes caudales en la quebrada y los respectivos niveles de agua y energía, por lo que pueden resultar útiles para evaluar el desempeño y el impacto del puente sobre la quebrada. Los resultados se muestran en el Cuadro 4.6 y la Fig Nótese que al estar controlados los niveles por el río Sixaola, las curvas de descarga permanecen invariables con el caudal. Cuadro 4.6. Curvas de descarga estimadas para el puente sobre la quebrada Tranquilino. Sección del puente ( ) Caudal (m 3 /s) Nivel del agua propuesta de puente(msnm*) Nivel de energía propuesta de puente (msnm*) 11,6 58,00 58,00 14,4 58,00 58,00 16,4 58,00 58,01 19,8 58,01 58,01 22,6 58,01 58,01 26,1 58,01 58,01 Fig Curvas de descarga estimadas para el puente sobre la quebrada Tranquilino Sección del puente ( ) Elevación del agua o de la línea de energía (msnm*) Caudal (m 3 /s) zw (msnm*) ze (msnm*) 35

40 5 ESTIMACIÓN DE SOCAVACIÓN POTENCIAL 5.1. METODOLOGÍAS DE CÁLCULO DE SOCAVACIÓN EN PUENTES La socavación puede definirse como la excavación y remoción de material del lecho y bancos de un curso de agua como resultado de la acción erosiva del agua (Hamill, 1999). En un puente, la socavación total potencial se puede subdividir en tres componentes principales (FHWA 2001, Hamill 1999, Julien 2002, García 2007, Leopold et.al., 1995, entre otros): Degradación o agradación de largo plazo Socavación general en el puente (socavación por contracción) Socavación local en pilas o bastiones Estos tres aspectos de la socavación son aditivos, por lo que los tres componentes se deben calcular para cada puente y su suma será la socavación potencial total esperada en cada sitio. Adicionalmente a estos factores, la posibilidad de migración lateral del curso de agua debe analizarse con el fin de tener un panorama completo sobre la estabilidad del sitio donde se erigirá el puente (FHWA, 2001) Socavación en materiales granulares aluviales Cuando en el cauce de un río existen materiales aluviales que pueden ser transportados por el flujo, se pueden identificar dos condiciones en las que puede ocurrir la socavación: socavación de aguas claras y socavación de lecho vivo. Esta división se basa en la relación entre la velocidad del flujo aguas arriba de la sección aguas arriba (v) y la velocidad crítica de transporte de los sedimentos presentes en la sección (vc). Si la velocidad del flujo es mayor que la velocidad crítica para transporte (v>vc), existe un movimiento generalizado de material del lecho, condición denominada de lecho vivo. En ese caso el flujo de aproximación trae consigo un suministro continuo de sedimento hacia la zona de socavación, la cual es causada no por el movimiento del material por el fondo sino por la existencia de contracciones u obstrucciones al flujo (Hamill, 1999). Si por el contrario la velocidad del flujo es menor que la velocidad crítica (v<vc) el material del lecho está en reposo y la condición se denomina de aguas claras. En este caso cualquier material removido por efecto de la socavación no va a ser reemplazado por material proveniente de aguas arriba, y por lo tanto se alcanzará un nivel de socavación tal que la profundidad socavada reduzca la velocidad y el proceso de erosión se detenga (Hamill, 1999). Esta condición se puede presentar en ríos con materiales gruesos con transporte por el fondo reducido, en cauces con acorazamiento y en cauces de baja pendiente (García, 2007). Para calcular la velocidad crítica vc para el tamaño medio de partícula (d50) del material de fondo se puede utilizar la siguiente ecuación (FHWA, 2001): 36

41 v c = K u y 1 6 d donde: vc= velocidad crítica (m/s) Ku=6,19 (unidades SI) y=profundidad media aguas arriba de la sección de puente (m) d50=diámetro de la partícula para vc (m) En la Fig. 5.1 se muestra esquemáticamente la relevancia de uno u otro tipo de socavación en función de la evolución de la profundidad socavada: en condiciones de aguas claras el proceso tiende a ser más lento pero a alcanzar una profundidad mayor; en las condiciones de lecho vivo el proceso es más rápido y va a experimentar fluctuaciones importantes en el tiempo, que pueden llegar a ser mayores a las condiciones de aguas claras. Fig Representación esquemática de la evolución en el tiempo de la socavación en una pila de puente, para condiciones de aguas claras y lecho vivo (según FHWA, 2001) Degradación o agradación de largo plazo El término degradación se refiere a la pérdida de material en un tramo de río, mientras que agradación se refiere al aumento del lecho de la quebrada producto de la depositación de sedimentos. Ambos procesos son fenómenos que ocurren en tramos largos de los ríos y en lapsos de tiempo relativamente extensos, por lo que no son efectos locales ni inmediatos. Pueden ser producto de procesos naturales o 37