INFORME DE INGENIERIA RESERVORIO R07 JULIO 2014

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1 Proyecto de Desarrollo Sustentable para la Cuenca Matanza Riachuelo Préstamo 7706-AR INFORME DE INGENIERIA RESERVORIO R07 JULIO 2014 Reservorio R07

2 INFORME DE INGENIERIA RESERVORIO R07 INDICE 1. INTRODUCCION 1 2. LOCALIZACION DEL RESERVORIO 3 3. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS 5 4. ESTUDIOS DE GEOTECNIA 6 5. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOS TORMENTAS DE PROYECTO Información básica recopilada Series de datos disponibles Análisis de las series Evaluación estadística de eventos Recurrencias para diseño Distribución temporal de las precipitaciones Distribución espacial de las precipitaciones Hietogramas de diseño CALIBRACION DEL MODELO LLUVIA - ESCORRENTIA Modelo utilizado para la transformación lluvia - escorrentía Fuente de datos básicos para calibración Esquema de subcuencas Determinación del tiempo de concentración Número de curva CN Escenarios de calibración y validación Hietogramas utilizados para calibración Hidrogramas aforados Resultados de calibración del Modelo Lluvia Escorrentía Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 1: 28/08/63 29/08/ Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 2: 08/10/67 11/10/ Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 3: 15/10/67 17/10/ Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 4: 13/12/68-15/12/ Conclusiones de la calibración y validación MODELACION HIDRAULICA DE LOS ARROYOS Modelo utilizado (HEC-RAS) Modelación del cauce aguas abajo de la presa Determinación de la curva H-Q en la restitución Modelación de todo el sistema en la situación actual sin obras MODELACION HIDROLOGICA DEL SISTEMA Localización del área y subcuencas Determinación del tiempo de concentración Número de curva CN Resumen de parámetros de modelación lluvia-escorrentía Curva Cota Volumen de almacenamiento del Reservorio Curva Cota Caudal de la restitución 45 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 1

3 5.4.7 Bases para el diseño Planteo de alternativas Funcionamiento del sistema de descargadores de fondo Verificación del sistema con Vertedero Selección de alternativa Resumen de resultados Análisis para recurrencias menores Comportamiento del sistema actual sin obras ANALISIS DE OLEAJE EN EL EMBALSE Datos de viento Vientos de diseño Medición del fetch Estimación de altura de ola Análisis de los resultados obtenidos PROYECTO LICITATORIO PROYECTO DE LA PRESA Trazado del cierre Diseño del perfil de la presa Fundación de la presa Filtraciones en la presa Modelación de la red de filtración Geometría modelada Propiedades hidráulicas de los suelos Condiciones simuladas Resultados obtenidos Estabilidad de Taludes Situaciones a Modelar Parámetros geotécnicos de los suelos Resultados obtenidos PROYECTO HIDRÁULICO DE LAS OBRAS DE DESCARGA Descargador de fondo Aliviadero superficial La estructura de control Estructura terminal Capacidad de descarga Tanque amortiguador Protecciones de fondo con colchonetas DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO Diseño estructural del Vertedero y Descargador de fondo Cálculo estructural de los muros de ala INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS A LA OBRA Instalaciones para auscultación Equipos de medición de precipitaciones y niveles Electrificación e iluminación Obrador y Cartel de Obra 97 7 COMPUTO METRICO Y PRESUPUESTO RESUMEN DE CÓMPUTO COMPUTO Y PRECIOS ANALISIS DE PRECIOS PRESUPUESTO 122 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 2

4 INDICE DE PLANOS R07 01: PLANO GENERAL DE UBICACIÓN EN LA CUENCA R07 02: EJE DE PRESA. PROGRESIVAS R07 03: EJE DE LA PRESA. PERFIL LONGITUDINAL Y PERFILES TRANSVERSALES R07 04: VERTEDERO - DESCARGADOR: PLANTA Y CORTES R07 05: ESTRUCTURA DE VERTEDERO: DIMENSIONES Y ARMADURAS R07 06: ESTRUCTURA DE MURO DE ALA: DIMENSIONES Y ARMADURAS R07 07: MOVIMIENTO DE SUELOS R07 08: SECTORES CONSTRUCTIVOS R07 09: INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 3

5 INFORME DE INGENIERIA RESERVORIO R07 1. INTRODUCCION El presente informe de Ingeniería trata sobre el desarrollo de los estudios y proyecto del denominado Reservorio R07 ubicado en la subcuenca del Arroyo Barreiro, sobre el límite Norte de la Cuenca del Río Matanza, dentro del partido de La Matanza (Ver Plano R07-01). Los objetivos generales de los estudios de ingeniería a desarrollar son: Realizar los estudios hidrológicos que permitan definir las variables hidrológicas e hidráulicas de proyecto de cada reservorio, considerando en los cálculos toda obra de infraestructura existente o prevista en la cuenca que pueda influir sobre el funcionamiento hidráulico de cada reservorio; Realizar el proyecto licitatorio de cada uno de los reservorios indicados en su totalidad, incluyendo los terraplenes de cierre (presas), las obras hidráulicas de descarga y de restitución al río y las obras viales de paso que sean necesarias; Determinar los materiales óptimos a utilizar en cada uno de los ítems involucrados en los proyectos y el origen de los mismos; Confeccionar los correspondientes análisis de precios y cómputo métrico de cada ítem, como así también todas las tareas y las actividades necesarias para la ejecución de cada reservorio; Obtener los presupuestos del proyecto licitatorio elaborado; Elaborar las especificaciones técnicas correspondientes a cada uno de los reservorios de detención. Los trabajos involucrados en los estudios de ingeniería y desarrollo del proyecto licitatorio se agrupan en los cuatro ítems siguientes: Estudio hidrológico-hidráulico Proyecto Licitatorio Cómputo Métrico y Presupuesto Elaboración de Especificaciones Técnicas para Pliego Licitatorio Los estudios a realizar sobre cada reservorio se enmarcan dentro del Plan Director Básico de Drenaje Pluvial desarrollado por ACUMAR (actualización Noviembre 2009) y posteriores adaptaciones. Dicho Plan Director constituye un elemento rector en el desarrollo del presente estudio respetando las líneas conceptuales del mismo. Esto es, los trabajos de ingeniería, se basan en dicho anteproyecto, considerando los criterios y/o parámetros de diseño impuestos en el mismo, evitando cambios que afecten la funcionalidad hídrica salvo casos que serán adecuadamente justificados. El alcance de los trabajos a desarrollar comprende la elaboración de la documentación de proyecto necesaria y suficiente para que el Comitente pueda licitar de manera integral la INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 1

6 construcción de cada una de estas obras, quedando excluida la elaboración de la ingeniería de detalle y constructiva. La documentación correspondiente a cada uno de los reservorios se presenta organizada de manera independiente, de modo que cada paquete constituya un elemento integral y autocontenido del proyecto. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 2

7 2. LOCALIZACION DEL RESERVORIO El reservorio R07 se encuentra ubicado en la parte alta de la cuenca del Arroyo Barreiro, hacia el límite norte de la Cuenca del Río Matanza, dentro del partido de La Matanza, si bien el área de aporte también se extiende sobre el partido de Merlo. El cierre previsto es atravesado por el Arroyo Barreiro, aguas abajo de la confluencia de dos afluentes al mismo (Ver Plano R07-01). Las Figuras 2.1 y 2.2 muestran la localización del reservorio. Reservorio R07 Figura 2.1: Localización del cierre del reservorio respecto de la cuenca Matanza-Riachuelo La obra de cierre está prevista de aproximadamente 1319m de longitud, con una geomemtria poligonal con orientación general E-O. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 3

8 Reservorio R07 Figura 2.2: Superficie de embalse del reservorio, obra de cierre y arroyos confluentes. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 4

9 3. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS Las tareas realizadas, con su memoria técnica y planos, se encuentran detalladas en el INFORME DE TOPOGRAFIA RESERVORIO R07. Los objetivos perseguidos en estas tareas son los siguientes: Obtener información de base para la realización de Estudios Hidrológicos, Hidráulicos y Civiles en el área proyectada para el reservorio; Definir/ajustar los límites correspondientes al reservorio; Confeccionar el Modelo Digital de Terreno en el área; Realizar perfiles que permitan computar movimientos de suelo en el cierre de los reservorios; Obtener información catastral, del registro de la propiedad dominial, de asentamientos, e infraestructura existente en el área de estudio y en las áreas linderas a los reservorios. Los ítems desarrollados comprendieron: Item I: NIVELACIÓN GEOMÉTRICA Y GEORREFERENCIACIÓN Item II: MATERIALIZACIÓN DE PUNTOS FIJOS Item III: RELEVAMIENTO PLANIALTIMÉTRICO EN ÁREA DE RESERVORIOS O EMBALSES - PERFILES Item IV: RELEVAMIENTO TRAZAS TERRAPLENES PARA CIERRES DE LOS RESERVORIOS Ó EMBALSES Item V: RELEVAMIENTO TOPOBATIMÉTRICO DE PERFILES TRANSVERSALES A CURSOS DE AGUA Item VI: RELEVAMIENTO LÍMITE ÁREAS URBANAS Item VII: INFORMACIÓN CATASTRAL Y DOMINIAL Item VIII: DETERMINACIÓN DE LA CURVA COTA-VOLUMEN Item IX: TRABAJOS DE GABINETE - DOCUMENTACIÓN INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 5

10 4. ESTUDIOS DE GEOTECNIA Las tareas realizadas, con su memoria técnica y elementos gráficos correspondientes, se encuentran detalladas en el INFORME DE GEOTECNIA RESERVORIO R07. Las actividades realizadas se sintetizan en: 1.- Caracterización geotécnica de la fundación de la presa; 2.- Caracterización geotécnica del material para el cuerpo de la presa (Yacimientos); 3.- Caracterización geotécnica de los sectores destinados a las estructuras de Hº Aº (Obras de arte, Vertederos, Disipadores, Descargadores de Fondo, etc.). Las caracterizaciones antes referidas comprenden la ejecución de trabajos de campo, laboratorio y gabinete. Los resultados obtenidos proporcionan los datos de diseño geotécnico (parámetros de cálculo) para el desarrollo del proyecto licitatorio de la obra. Asimismo constituyen la base para recomendar las previsiones a tener en cuenta en el proceso de construcción y en la calidad y/o tipo de materiales a utilizar, así como también indicar las previsiones a considerar en las excavaciones, la presencia eventual de capas acuíferas, etc. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 6

11 5. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOS Se realizaron estudios hidrológicos para determinar los caudales que ingresan al reservorio desde las diferentes subcuencas de aporte, como resultado de la transformación lluviaescorrentía. Asimismo, se simularon las condiciones en el curso aguas abajo del reservorio, para establecer los escenarios de inundación con obra y sin obra. 5.1 TORMENTAS DE PROYECTO Información básica recopilada El análisis hidrológico e hidrodinámico demandó recopilar información de lluvias e información de aforos en la zona en estudio. Para la evaluación de lluvias en la zona del proyecto, se recopiló la información disponible en el Servicio Meteorológico Nacional, con el objeto de evaluar datos estadísticamente y establecer así la tormenta de proyecto. Se obtuvo información de precipitaciones diarias totales en las estaciones de Villa Ortuzar, Ezeiza y Morón, y registros pluviométricos de valores máximos para distintas duraciones en la estación de Villa Ortuzar. Asimismo, se recopiló la información pluviométrica utilizada en los estudios antecedentes realizados por EIH en 1985, donde consta el análisis estadístico realizado oportunamente para la determinación de escenarios de precipitaciones para diferentes recurrencias. De la misma manera, de los informes antecedentes se extrajeron condiciones de lluvias y aforos necesarios para calibrar las herramientas de simulación, obteniéndose lluvias medidas y aforos realizados durante 3 tormentas determinadas, entre 1963 y Finalmente, se solicitó al ACUMAR toda la información disponible de aforos en la zona, obteniéndose como resultado los informes con los resultados de una serie de campañas puntuales de medición de niveles y aforo de caudales en distintas localizaciones Series de datos disponibles De la información recopilada del Servicio Meteorológico Nacional, se dispuso de las siguientes series: Observatorio Villa Ortuzar Serie Precipitaciones diarias (25 años) Estación Ezeiza Serie Precipitaciones diarias (20 años) Estación Morón Serie Precipitaciones diarias (7 años) Las series de valores diarios disponibles se adjuntan en el Anexo 5.1. En la siguiente imagen se observa la localización de las mediciones disponibles. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 7

12 Figura 5.1.1: Localización de registros pluviométricos Por otra parte, se cuenta con la serie de máximos anuales para distintas duraciones de lluvia, para la estación de Villa Ortuzar, así como las ecuaciones que describen las curvas de Intensidad-Duración-Recurrencia correspondientes a esta estación Análisis de las series De las series seleccionadas, se observa que los valores de precipitación diaria correspondientes al Observatorio de Villa Ortuzar son mayores que aquellos correspondientes a Ezeiza. Este comportamiento no sólo se observa del análisis de los máximos anuales, sino también del análisis de máximos mensuales, como puede apreciarse en la siguiente figura. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 8

13 Tormentas 24 hs - Máximos Mensuales 120 P 24hs [mm] ene-88 sep-90 jun-93 mar-96 dic-98 sep-01 jun-04 mar-07 nov-09 ago-12 Ezeiza V Ortuzar moron P 48hs [mm] 280 Tormentas 72hs - Máximos Mensuales ene-88 sep-90 jun-93 mar-96 dic-98 sep-01 jun-04 mar-07 nov-09 ago-12 Ezeiza V Ortuzar moron Figura 5.1.2: Comparación de Máximos mensuales en distintas estaciones de registro para precipitación de 24hs y 72hs INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 9

14 De lo anterior, se distingue que en la mayoría de los casos, los registros de Villa Ortuzar superan a los de Ezeiza, y que dicho comportamiento también se manifiesta al contrastar con los registros de Morón, que aunque representan una serie corta, reflejan un comportamiento similar a los de Ezeiza. Los mayores valores de precipitación registrados en la estación Villa Ortuzar, ubicada en la ciudad de Buenos Aires, son coherentes con su proximidad al extenso cuerpo de agua que constituye el Río de la Plata, y el alto grado de urbanización existente. En la Figura se indica la posición del área de estudio respecto de la localización de los puntos de medición pluviométrica. Como puede apreciarse, si bien es Morón la estación más cercana, la misma no cuenta con un registro suficiente. Luego, la estación Ezeiza es similar en cuanto a la cobertura y uso del suelo, a la vez que se localiza más cercana al reservorio. V. ORTUZAR: 22,5 Km MORON: 6,5 Km Subcuenca: Aº Barreiro EZEIZA: 15,0 Km Figura 5.1.3: Ubicación del área de estudio y los puntos de medición pluviométrica. Por lo expuesto, se ha optado por utilizar para el presente estudio la estación Ezeiza, con una serie de precipitaciones diarias de 20 años completos, a los efectos de obtener las precipitaciones de proyecto. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 10

15 5.1.4 Evaluación estadística de eventos Con la serie seleccionada, se realizó un análisis estadístico de la misma, ordenando y filtrando los datos de modo de identificar eventos de lluvia ó tormentas de duraciones de 1 a 6 días continuos (24 hs, 48 hs, 72 hs, 96 hs, 120 hs y 144 hs). Los resultados de este análisis se ven resumidos en la siguiente tabla: Tormenta Nº Eventos P MAX P MIN P MEDIA [mm] [mm] [mm] P ,30 1,00 11,10 P ,00 1,00 24,98 P ,00 1,30 39,12 P ,00 1,50 53,40 P ,00 12,90 67,85 P ,60 33,00 84,97 Tabla 5.1.1: Resultados de clasificación de eventos de lluvia de 1 a 6 días de duración Los eventos identificados como P24 corresponden a registros de precipitación caída en un día; P48 a P144 corresponden a eventos en que se registran de dos a seis días consecutivos con precipitación, por ejemplo, en el caso de 3 días consecutivos de registro, corresponden 3 eventos de P24, dos eventos de P48 y un evento P72. Una vez identificados todos los eventos, se filtraron los máximos anuales correspondientes a las lluvias de cada una de las 6 duraciones. Con cada serie de máximos anuales, se aplicó la función de distribución de probabilidad de Gumbel, obteniéndose la precipitación P (mm) según distintas duraciones y recurrencias. Los resultados para recurrencias de 2, 10, 20, 50, 100 y 200 años se muestran en el cuadro siguiente: P (mm) R = 2 R = 10 R = 20 R = 50 R = 100 R = 200 P P P P P P Tabla 5.1.2: Precipitación P en mm según recurrencia y duración Los gráficos de la distribución de probabilidad, así como la serie de máximos anuales, se adjuntan en el Anexo 5.2. El objetivo del análisis de múltiples duraciones está basado en el concepto de considerar como condición crítica para el diseño de las obras de control del reservorio, aquella tormenta que representa el mayor volumen de agua retenido. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 11

16 5.1.5 Recurrencias para diseño Dado que el objeto del estudio es establecer los lineamientos básicos para los elementos hidráulicos que componen las obras de descarga y vertedero, se consideró el siguiente esquema de diseño y análisis: Recurrencia R=50 años Para la evaluación de la cantidad y diámetro de alcantarillas de fondo, necesarias para amortiguar el hidrograma de entrada, determinando entonces con la cota de embalse alcanzada con esta tormenta, la cota de coronamiento del vertedero. Recurrencia R=200 años Para la evaluación de la longitud y características de vertedero necesarias para evacuar caudales que superan la cota de embalse determinada para 50 años de recurrencia. Asimismo en esta condición se verifica la cota máxima de embalse. Las recurrencias de diseño seleccionadas se basan en la clasificación que pueden recibir las presas en estudio, y los riesgos que traen aparejados las magnitudes de los eventos hidrológicos que acaecen sobre las cuencas de las mismas. De acuerdo con algunos criterios generalizados de diseño de estructuras para control de agua, y teniendo en cuenta las consecuencias de potenciales fallas, éstas se clasifican en grandes, intermedias y pequeñas. Ahora bien, el caso estudiado, de acuerdo con la National Academy of Sciences, bien podría ser definido como de presas muy pequeñas ya que las características que se le asignan a las presas pequeñas son: 1. Volumen del embalse entre 0,20 y 1 Hm 3 2. Altura de la presa entre 7,50 y 12 m En nuestro caso la altura de las presas es inferior a 6 metros. Asimismo, de la tabla Criterios de diseño generalizados para estructuras de control de agua., del Libro Hidrología Aplicada de Ven Te Chow (Ven Te Chow, Maidment David R. y Mays Larry W., Mc. Graw Hill. 1993), se obtienen los rangos aproximados correspondientes a la escala de diseño como: Valores de Periodos de Retorno para la definición de la capacidad de las alcantarillas Puente de carretera sistema secundario Drenaje Urbano Alcantarillas en grandes ciudades de 10 a 50 años. 25 a 50 años Valores de Periodos de Retorno para la definición de la capacidad de los aliviaderos Diques Alrededor de ciudades Presas pequeñas con probabilidad de pérdidas de vida (Amenaza significativa) de 50 a 200 años. 100 años o más. De acuerdo con los conceptos previamente mostrados, se consideran aceptablemente conservadores los criterios adoptados para el presente proyecto. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 12

17 5.1.6 Distribución temporal de las precipitaciones Para evaluar la distribución temporal de las precipitaciones, se utilizaron las ecuaciones que describen las curvas I-D-R de Villa Ortuzar para duraciones de 24hs con distribución horaria, dado que no se cuenta con similares curvas para otra localización, aplicándolas proporcionalmente con las lluvias determinadas para la estación de Ezeiza. Las ecuaciones que describen las curvas IDF del Observatorio de Villa Ortuzar se describen a continuación: R = 2 años I = 33,00. D -0,60 R = 5 años I = 42,31. D -0,625 R = 10 años I = 47,894. D -0,611 R = 25 años I = 56,00. D -0,61 R = 50 años I = 67,263. D -0,655 Para el caso de Recurrencia 200 años, se adoptó el comportamiento arrojado por la ecuación correspondiente a 50 años. Curvas Intensidad-Duración-Recurrencia - Observatorio Villa Ortúzar Intensidad [mm/h] R 2 años R 5 años R 10 años R 25 años R 50 años Duración [min] Figura 5.1.4: Curvas I-D-F para Villa Ortuzar Fuente: DIPSOH INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 13

18 5.1.7 Distribución espacial de las precipitaciones Dado que las tormentas de diseño en este estudio surgen a partir del análisis de la información pluviométrica registrada en una única estación de medición localizada en el aeropuerto de Ezeiza, y con el objeto de tener en cuenta la variabilidad espacial que demuestran los patrones de tormentas, se ha considerado prudente el empleo de curvas de abatimiento areal de la precipitación. Estas curvas representan la lámina de precipitación promedio sobre un área como un porcentaje de los valores de precipitación puntual correspondientes al foco de la tormenta. Figura 5.1.5: Curvas de abatimiento areal. Fuente: Handbook of applied hydrology Ven Te Chow Así, y para el caso del reservorio en estudio, cuya cuenca se extiende en un área de unos 24,5 Km 2 (10 millas 2 ), los resultados sugieren el siguiente abatimiento a aplicar: Duración [h] Coeficiente de abatimiento areal 1 0,93 3 0,96 6 0, ,96 >24 0,96 Tabla 5.1.3: Coeficientes de abatimiento areal aplicados al área en estudio INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 14

19 5.1.8 Hietogramas de diseño A partir del análisis estadístico de datos pluviométricos, y los conceptos descriptos sobre distribución temporal y espacial de las precipitaciones, se elaboraron hietogramas para tormentas de diferentes duraciones y recurrencias. Para los diseños de las obras de regulación para los cuales se realizan los estudios hidrológicos e hidráulicos se han adoptado recurrencias de 50 años y 200 años, tal como se describió anteriormente. Asimismo hietogramas de recurrencias menores se utilizan con fines de algunas verificaciones. Hietogramas para R=50 años Se incluyen hietogramas confeccionados para duraciones de 1 a 6 días (24 hs a 144 hs) La lluvia de recurrencia R=50 años y 24hs de duración fue utilizada para el diseño del descargador de fondo y el establecimiento de la cota del vertedero. Por otra parte, las tormentas de distintas duraciones fueron utilizadas para identificar aquella que maximiza el volumen en el embalse y con ello establecer una condición de verificación extrema para el conjunto de las obras de descarga planteadas, encontrándose que dicha situación se da para una duración de 5 días. Hietograma para R=200 años Este hietograma corresponde a la tormenta de 120 horas de duración, pero para el extremo de R= 200 años, que es el evento extremo finalmente utilizado para verificación del funcionamiento del conjunto descargadores de fondo y vertedero, aplicable al diseño el vertedero y el establecimiento del máximo nivel de inundación en el reservorio.. Hietogramas para R=2 años Estos hietogramas son útiles a los fines de su aplicación para verificaciones del sistema para lluvias frecuentes de baja recurrencia. En este caso se consideran lluvias de distintas duraciones, tales como 24, 4, y 6 horas. Todos los hietogramas antes referidos, discretizados en períodos de 1 hora, fueron confeccionados mediante la aplicación del método de los bloques alternos con distribución centrada, y se incluyen en el Anexo 5.3, tanto en forma tabulada como gráfica. La Tabla y Figura muestran en particular la distribución de la lluvia en 24 horas para una Recurrencia de 50 años. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 15

20 Hora HIETOGRAMA 24 horas Intensidad (mm/h) Hora Intensidad (mm/h) 1 1, ,05 2 2, ,37 3 2,2 15 4,73 4 2, ,98 5 2, ,41 6 2, ,01 7 3, ,71 8 3, ,47 9 4, , ,4 22 2, , , ,88 Tabla 5.1.4: Distribución de la lluvia en 24 horas (Recurrencia 50 años) Hietograma de 24 hs de duración -Recurrencia 50 años Intensidad [mm/h] Duración [h] Figura 5.1.6: Distribución de la lluvia en 24 hs (Recurrencia 50 años) INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 16

21 5.2 CALIBRACION DEL MODELO LLUVIA - ESCORRENTIA Modelo utilizado para la transformación lluvia - escorrentía Para evaluar la respuesta de la cuenca y obtener los caudales que llegan a la zona de interés (zona del reservorio), se aplicó el modelo de transformación lluvia-escorrentía HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modeling System, desarrollado por el USACE (US. Army Corps of Engineers). Este modelo considera las características físicas y geométricas de la cuenca, expresadas a través de los datos de área, pendientes naturales, longitud de cursos interiores, tiempos de concentración, valores de intercepción inicial, áreas impermeables, y condiciones de saturación del suelo, entre otras; a lo que adiciona un modelo meteorológico que permite considerar precipitaciones en toda o parte de la cuenca, y los transforma en hidrogramas en los puntos de interés. Es posible representar diferentes subcuencas, así como los cursos que las conectan y agregar la existencia de reservorios retardadores de crecidas. La siguiente imagen captura una ventana de diálogo típica del modelo, con sus partes. Figura 5.2.1: Ejemplo del modelo de transformación lluvia-escorrentía HEC-HMS. En el presente caso se seleccionó el modelo del Hidrograma Unitario de Clark, que esquematiza la respuesta de la cuenca mediante un proceso de traslación pura seguido por un proceso de difusión que se asocia al almacenamiento de la cuenca, y que permite la transformación de la lluvia efectiva en el hidrograma correspondiente, mientras que las pérdidas y consecuentemente la lluvia efectiva fueron evaluadas mediante el método del Número de Curva (Curve Number) desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos de los EE.UU. (SCS Curve Number - Soil Conservation Service). INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 17

22 5.2.2 Fuente de datos básicos para calibración Previo a la configuración del modelo en su fase operativa, se realizó la calibración de la herramienta, de modo de asegurar un buen nivel de representación del modelo a ser aplicado en los estudios hidrológicos de las cuencas que aportan al reservorio en estudio. Se recopilaron los antecedentes de estudios realizados sobre la cuenca, específicamente durante la calibración de otro modelo de transformación lluvia escorrentía, empleados en el Estudio de Regulación de la Cuenca del Río Matanza, realizado por EIH en Para los mismos se efectuó una serie de aforos en una sección de control denominada La Candelaria, cuya localización se aprecia en la siguiente imagen, y para la cual se registraron las precipitaciones acontecidas que dieron origen a los caudales aforados. Si bien los antecedentes no son actuales, se evidencia que las características de las subcuencas involucradas no han cambiado con respecto a aquellas estudiadas con anterioridad, así como tampoco se evidencian cambios notables en el uso del suelo (se trata de una zona preponderantemente rural) con lo cual puede presumirse que la respuesta no va a ser significativamente diferente. Por otra parte, los aforos actuales recopilados no permiten su utilización con este fin, dado que se trata de mediciones puntuales, sin registros pluviométricos asociados que permitan inferir una relación entre el hietograma de la lluvia caída y el hidrograma generado en la estación de aforo. En tal sentido, para las corridas de calibración, se adoptaron las condiciones pluviométricas y los hidrogramas aforados de los antecedentes de 1985, y se configuró el modelo con las condiciones geométricas correspondientes. Asimismo fueron consideradas las condiciones de humedad precedente del suelo para cada tormenta seleccionada, según lo reportado en dicho antecedente Esquema de subcuencas El sitio donde se realizaron los aforos se denomina La Candelaria, y corresponde a una sección sobre el Arroyo Morales, localizada aguas abajo de la confluencia entre el Arroyo El Piojo con el Arroyo Morales. En la Figura puede verse la ubicación del punto de aforo y cierre de las cuencas utilizadas para calibración. Considerando dicha sección de control, se delimitan las siguientes 4 subcuencas aguas arriba de la misma: - conjunto Arroyo Chavez-La Paja; - Arroyo Morales superior; - Arroyo el Piojo; - Arroyo Morales inferior. La representación del esquema de subcuencas y tramos de traslado se indican en la siguiente Figura INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 18

23 Aº La Paja Aº Chavez Aº Morales( inferior) Punto de AFORO LA CANDELARIA Aº Morales (superior) Aº El Piojo Figura 5.2.2: Ubicación de la estación de Aforo La Candelaria Cuencas de calibración Figura 5.2.3: Esquema de elementos para representación de las corridas de verificación. Una vez delimitadas las subcuencas, se estimaron los parámetros básicos con los que se calcularon el Tiempo de concentración, la superficie de la cuenca, y la determinación de los valores de Número de Curva (CN). INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 19

24 5.2.4 Determinación del tiempo de concentración El objetivo del tiempo de concentración es identificar el tiempo que insume a la gota de agua hidráulicamente más alejada del punto de cierre de la cuenca, recorrer la cuenca y el cauce hasta dicho punto de cierre. La determinación del tiempo de concentración, se realiza mediante la aplicación de diferentes expresiones empíricas, que en general consideran las condiciones topográficas del terreno natural (distancia y pendiente) y las condiciones del cauce principal de la cuenca (longitud y pendiente). Para el caso en estudio, se ha aplicado la expresión de Kirpich (Ven Te Chow ec. [14-5] Handbook of applied hydraulics ) ampliamente reconocida: Fórmula de Kirpich Tc [horas] = 0, L 0,77 / S 0,385 Donde, L es la distancia del curso sumada a la distancia por terreno natural desde el extremo aguas arriba del cauce hasta el borde la cuenca, expresado en pies, y S representa la pendiente de la cuenca, determinada como S = H/L, siendo H la diferencia de niveles entre ambos extremos de la longitud L. En la Tabla se indican los parámetros de cada una de las subcuencas y el tiempo de concentración calculado con la fórmula de Kirpich. Subcuenca Superficie Long. Cauce Long. Terreno L Δ H S Tc Kirpich [Km 2 ] [Km] [Km] [pies] [m] [hs] 309 Aº Morales 88,0 17,0 1, ,75 0,9612 9,1 310 Aº La Paja / Aº Chavez 82,2 12,6 1, ,50 0,8351 7,6 311 Aº Morales 49,3 9,8 5, ,75 0,9195 7,8 312 Aº El Piojo 53,4 16,2 3, ,25 0,8483 9,8 Tabla 5.2.1: Parámetros de las subcuencas de calibración y tiempos de concentración En la Figura se ilustra la delimitación de subcuencas hasta la sección de control y las características principales de las mismas. La numeración 309 a 312 es arbitraria y corresponde a las subcuencas utilizadas en el proceso. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 20

25 Subcuenca 310 Arroyo Chavez La Paja. Area = 82,2Km 2 L = 13,8 Km h = 11,50 m Subcuenca 311 Arroyo Morales Inferior. Area = 49Km 2 L = 15,0 Km h = 13,75 m Sección de control y aforo La Candelaria Subcuenca 309 Arroyo Morales Superior. Area = 88Km 2 L = 18,5 Km h = 17,75 m Subcuenca 312 Arroyo El Piojo. Area = 53Km 2 L = 19,2 Km h = 16,25 m Figura 5.2.4: Parámetros geométricos de las subcuencas de calibración Número de curva CN Para la aplicación del método de estimación de las pérdidas del SCS, es necesario definir el valor de CN para la cuenca, en función de sus características superficiales, pendiente, cobertura vegetal y uso preponderante del suelo. Asi, en función de la observación del área que abarca la cuenca y tomando como base valores tabulados por el SCS, se adoptaron los siguientes valores: CN II = 65, correspondiente a una condición de humedad precedente media considerando una cobertura tipo pastos anuales, para un grupo hidrológico de suelo con condición de escurrimiento entre media y alta. CN III = 82 para condición precedente muy húmeda. CN I = 45 para condición seca Escenarios de calibración y validación De acuerdo con los antecedentes, se consideraron cuatro escenarios de calibración y validación del modelo, correspondientes a tormentas registradas con sus correspondientes aforos. Tormenta 1: esta tormenta se registró entre el 28/08/63 y el 29/08/63, y se considera para ella una condición de humedad precedente media, tipificada como II en el método del SCS (CN II ); Tormenta 2: corresponde a la tormenta registrada entre el 08/10/67 y 11/10/67, también con una condición de humedad precedente media, (CN II ). Tormenta 3: esta tormenta es en realidad una continuación de la tormenta anterior, sucedida entre el 15/10/67 y el 17/10/67, pero suficientemente espaciada de la anterior INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 21

26 como para considerarla un evento independiente. En cuanto a la condición de humedad precedente, se la considera tipificada como III (CN III ), debido justamente a la existencia de la lluvia de los días previos. Tormenta 4: corresponde a una tormenta registrada entre el 13/12/68 y el 15/12/68, luego de una condición de humedad antecedente seca (CN I ) Hietogramas utilizados para calibración Los hietogramas finales utilizados para las 4 corridas de calibración/validación, correspondientes a cada subcuenca, son tomados de los estudios antecedentes y se muestran en las Tablas a en intervalos de 6 horas. Cabe señalar que cada una de las tormentas descriptas, surgió de un análisis de lluvia media areal a partir del registro de las mismas en 5 estaciones diferentes, aplicando el método de los polígonos de Thyssen, para determinar el peso que cada estación tiene en cada subcuenca a representar. Fecha - hora P [mm] /08/196312: /08/196318: /08/196300: /08/196306: /08/196312: /08/196318: Tabla 5.2.2: Hietogramas para tormenta de calibración N 1 Agosto 1963 Fecha - hora P [mm] /10/196700: /10/196706: /10/196712: /10/196718: /10/196700: /10/196706: /10/196712: /10/196718: /10/196700: /10/196706: /10/196712: Tabla 5.2.3: Hietogramas para tormenta de calibración N 2 Octubre 1967 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 22

27 Fecha - hora P [mm] /10/196718: /10/196700: /10/196706: /10/196712: /10/196718: /10/196700: /10/196706: /10/196712: /10/196718: Tabla 5.2.4: Hietogramas para tormenta de calibración N 3 Octubre 1967 Fecha - hora P [mm] /12/196800: /12/196806: /12/196812: /12/196818: /12/196800: /12/196806: Tabla 5.2.5: Hietogramas para tormenta de calibración N 4 Diciembre 1968 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 23

28 5.2.8 Hidrogramas aforados Se muestran a continuación los resultados de los aforos en la sección de control, para cada una de las tormentas utilizadas en la fase de calibración / validación del modelo. DIA 28/08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/1963 HORA Q (m3/s) 6 0, , , , , , , , , , , ,90 6 6, , , ,80 6 3, , , ,77 6 1, , , ,36 Tabla 5.2.6: Hidrograma aforado tormenta Nº 1, Agosto 1963 Estación La Candelaria INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 24

29 DIA HORA Q (m3/s) DIA HORA Q (m3/s) 08/10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ ,92 6 1, , ,52 15/10/ , , , , , , , ,43 16/10/ , , , , , , , ,15 17/10/ , , , , , , , ,93 18/10/ , , , , ,26 6 7, , ,03 19/10/ , , , ,90 6 9,57 6 3, , ,80 20/10/ , , , ,20 6 3,62 6 1, , ,80 21/10/ , , , ,10 Tabla 5.2.7: Hidrograma aforado tormentas Nº 2 y 3, Octubre 1967 Estación La Candelaria INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 25

30 DIA HORA Q (m3/s) DIA HORA Q (m3/s) 13/12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ ,33 6 1, , ,82 20/12/ , , , ,61 6 2,82 6 1, , ,34 21/12/ , , , , ,05 6 1, , ,98 22/12/ , , , , ,42 6 1, , ,13 23/12/ , , , ,82 6 7,10 6 1, , ,93 24/12/ , , , ,43 6 2,34 6 1, , ,02 25/12/ , , , ,83 6 1, , , ,82 Tabla 5.2.8: Hidrograma aforado tormenta Nº 4, Diciembre 1968 Estación La Candelaria INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 26

31 5.2.9 Resultados de calibración del Modelo Lluvia Escorrentía Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 1: 28/08/63 29/08/63 Se configuró el modelo de transformación lluvia-escorrentía, ingresando las características de las subcuencas, y sus parámetros geométricos básicos calculados. En primer lugar se ensayó la tormenta 1, correspondiente al período 28/8/63 al 29/8/63, y se aplicó el método del hidrograma unitario de Clark para la estimación de la escorrentía, y el método del SCS para la evaluación de las pérdidas. Con el objetivo de calibrar el modelo, teniendo como referencia el aforo en la sección de control, se realizó una serie de pruebas, tomando como base de ajuste los siguientes parámetros: Tiempo de concentración [hrs] Valor inicial según cálculo de fórmula empírica; Coeficiente de Almacenamiento (Storage Coefficient - SR) [hrs] Valor inicial equivalente a 0.75Tc; Abstracción Inicial (Initial Abstraction) [mm] Valor inicial por default (0.2 Retención Potencial), Siendo el valor de Retención Potencial calculado con la expresión: S = ( / CN - 254) Número de Curva (Curve Number), CN=65. Luego de algunas corridas en las que se realizaron ajustes de los distintos parámetros, se obtuvo el resultado mostrado en la Figura Como puede apreciarse en la imagen, el ajuste logrado es excelente, tanto en la representación del pico del hidrograma como en la cuantificación del volumen, parámetro este que resulta de gran importancia a los efectos del proyecto de las obras de regulación, cuantificándose en este caso solo una diferencia del orden del 3%. El resultado alcanzado en la calibración implicó realizar los siguientes ajustes: Tiempo de concentración [hrs] los valores obtenidos de la fórmula empírica de Kirpich se ajustan con un factor 1.4; Coeficiente de Almacenamiento [hrs] Se iguala al Tc; Abstracción Inicial [mm] Se ajusta a una proporción de 0,1 de la retención potencial; Número de Curva, CN II =65 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 27

32 Figura 5.2.5: Resultados calibración con Tormenta 1 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 28

33 Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 2: 08/10/67 11/10/67 La validación del modelo con la Tormenta 2, correspondiente al período 08/10/67 11/10/67, se realizó tomando como base los resultados del modelo calibrado para la primer tormenta, esto es manteniendo los valores de los parámetros de Tiempo de concentración y Coeficiente de Almacenamiento de acuerdo a lo obtenido en el proceso de calibración realizado para la Tormenta 1. También en este caso, la condición de humedad precedente es la misma que para la Tormenta 1, manteniendo entonces el valor de CN=65, asimismo se mantuvo el parámetro de abstracción inicial en 0,1 de la retención potencial. Los resultados observados se muestran en la Figura Ambas curvas comparadas (aforada y modelada) muestran un aceptable ajuste en cuanto al tiempo al pico y la evolución de los hidrogramas en el tiempo, mostrando la respuesta de la cuenca a los distintos pulsos de lluvia, en cuanto a que generan un primer crecimiento de los caudales, luego un amesetamiento de los mismos y por último un crecimiento más marcado hasta alcanzar el pico. Asimismo, de los resultados, se observa una diferencia de volúmenes inferior al 1 %. En lo que respecta al caudal de pico, los resultados calculados arrojan un valor del orden del 25% mayor al aforado; esta diferencia, al menos en parte, puede atribuirse a diferencias y desajustes en los aforos realizados, dado que solo se cuenta con datos discretizados cada 6 horas, y esto puede ocasionar una deficiente representación del pico o en una medición menos precisa del mismo. No obstante lo indicado, la notable coincidencia en la forma y volumen del hidrograma permite la calificación de aceptable como validación del modelo, toda vez que se está representando la respuesta de la cuenca frente a una lluvia diferente y ocurrida en otro momento distinto al de calibración, utilizando sin embargo los mismos parámetros de ajuste obtenidos de aquel proceso. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 29

34 Figura 5.2.6: Resultados validación con Tormenta 2 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 30

35 Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 3: 15/10/67 17/10/67 Nuevamente, se tomó la base del modelo calibrado para la primer tormenta, dejando fijos los parámetros de Tiempo de concentración y Coeficiente de Almacenamiento correspondientes al último ajuste, y se procedió a configurar el modelo para la tormenta registrada entre el 15/10/67 y el 17/10/67, cuyo aforo correspondiente se extiende hasta el día 21/10/67. En este caso, y dado que esta tormenta se registró a los tres días de haber concluido la tormenta registrada entre los días 8 y 11 de octubre del mismo año, se consideró que las condiciones de humedad precedente del suelo se correspondían con una condición saturada, por lo que el valor de CN fue adoptado para una condición III, por lo que el valor del número de curva fue aumentado a CN III =82, sumado a una condición de abstracción inicial igual a cero. Para esta configuración, el modelo arrojó el resultado mostrado en la Figura Nuevamente, en este caso, el ajuste muestra un muy aceptable comportamiento en cuanto a los tiempos al pico y a la evolución del hidrograma, representando los dos picos observados. En el volumen se computa una diferencia del orden del 11 %, y entre el 28 y 10 % en el caudal pico, según se trate del primer o segundo pico. Valen para este caso las mismas consideraciones realizadas en el caso anterior, respecto de las mediciones en las cercanías del pico de la crecida y por lo tanto la calificación del ajuste como validación del modelo resulta satisfactoria. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 31

36 Figura 5.2.7: Resultados validación con Tormenta 3 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 32

37 Resultados Calibración del Modelo - Tormenta 4: 13/12/68-15/12/68 Por último, se valida el modelo con la tormenta como la registrada entre el 13/12/68 y el 15/12/68, cuyo aforo se extiende hasta el día 25/12/68. En este caso, también se mantienen los parámetros de Tiempo de concentración y Coeficiente de Almacenamiento correspondientes al último ajuste, y dado que, tal como surge de los antecedentes, se considera una condición de humedad precedente seca, adoptando un valor de CN I =45, asimismo se mantuvo el parámetro de abstracción inicial en 0,1 de la retención potencial. Los resultados, se presentan en la Figura También aquí se logra representar adecuadamente el comportamiento del hidrograma aforado, y de los resultados numéricos se observa que en términos de caudal pico, se ve una diferencia de un 22 %, mientras que en los volúmenes esta diferencia es del orden del 3 %. En este caso, la forma del hidrograma aforado permite evidenciar de una manera más marcada algún error en las mediciones durante el pasaje del pico de la crecida, por lo que en base a las consideraciones ya realizadas en los casos anteriores, la calificación del ajuste como validación del modelo resulta muy satisfactoria para esta tormenta. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 33

38 Figura 5.2.8: Resultados validación con Tormenta 4 INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 34

39 Conclusiones de la calibración y validación En vista de los resultados obtenidos se concluye que el modelo es capaz de representar adecuadamente la respuesta de la cuenca, en términos de volúmenes totales escurridos, forma del hidrograma y valores de pico de una manera aceptable para su aplicación al presente estudio. Si bien las mayores diferencias se observan en los valores de caudal pico, éstas son en general inferiores al 25%, siendo el valor modelado mayor al aforo en todos los casos. Estando bien representados los volúmenes escurridos, que el hidrograma de ingreso se represente con un pico de caudal algo más pronunciado, resulta preferible en términos de la condición de diseño. Por otra parte, es de esperar que las diferencias reales sean menores a las computadas, ya que como fuera antes mencionado, la comparación de los caudales pico involucra valores puntuales, y particularmente para el valor medido resulta muy impreciso, ya que existe la posibilidad de que los aforos tengan registros faltantes que no permitan una adecuada representación del pico o adolezcan de errores propios de la medición en situaciones de crecida. Por todo lo anterior, se considera que la herramienta es lo suficientemente adecuada, por lo que se procedió a su implementación para el diseño y representación de las condiciones hidrológicas del reservorio es estudio. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 35

40 5.3 MODELACION HIDRAULICA DE LOS ARROYOS Se realizó una modelación hidráulica del sistema, con dos objetivos específicos. En primer lugar, fue necesario establecer la relación cota caudal del curso fluvial aguas abajo de la localización prevista para la obra de regulación, dado que la misma interviene en la implementación del modelo de respuesta de del Reservorio R07. En tal sentido, en el punto se describe el procedimiento empleado para generar la curva Nivel-Caudal que luego se incorpora al modelo hidrológico y condiciona la salida del reservorio. En segundo lugar, se realizó una modelación del sistema completo, en condición sin obras, que permite establecer los niveles de inundación máxima alcanzada en el Arroyo Barreiro frente a diferentes escenarios de diseño. El desarrollo de estas modelaciones se describe en el punto Modelo utilizado (HEC-RAS) Se aplicó el modelo hidrodinámico unidimensional HEC RAS, desarrollado por el USACE (US. Army Corps of Engineers) para el diseño de canales abiertos naturales y artificiales, el cual resuelve las ecuaciones de energía entre las diferentes secciones transversales, que reproducen las condiciones de nivel y velocidad del escurrimiento en el curso a través de considerar la rugosidad de Manning, los coeficientes de expansión y contracción, la pendiente longitudinal, y la sección geométrica transversal del canal. Figura 5.3.1: Visualización del modelo HEC RAS Modelación del cauce aguas abajo de la presa Tomando la información topográfica elaborada durante las tareas de relevamiento, se extrajeron secciones transversales a lo largo de un tramo de arroyo de unos m de extensión, aguas abajo de la zona de la presa, para representar el canal. La siguiente ilustración esquematiza las secciones. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 36

41 Figura 5.3.2: Secciones transversales tramo restitución arroyo El Gato. Además de las características geométricas, se incorporaron valores del coeficiente de Manning compatibles con la zona estudiada, igual a 0,05 para la zona de canal y a 0.04 para la zona de planicie de inundación. Para la elección del coeficiente de rugosidad de Manning se tomaron valores tabulados en Hidráulica de los Canales Abiertos de Ven Te Chow, (Cuadro 5-6): Cauce principal, en un ancho de aproximadamente 50 metros: n=0,050. Corresponde a un curso natural en planicie, muy vegetado, con curvas, pastos, y sección inefectiva. Planicie, fuera del área central antes indicada, n=0,040. Corresponde a una planicie con menor vegetación que la zona aledaña al cauce, en general cubiertos con pastura y áreas cultivadas. La siguiente imagen ejemplifica la sección transversal correspondiente a la primera sección aguas arriba. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 37

42 Figura 5.3.3: Sección transversales tramo restitución arroyo El gato Determinación de la curva H-Q en la restitución Finalmente, con la configuración geométrica se configuraron escenarios hidrodinámicos con caudales variables entre 0 y 90 m 3 /s, de modo de obtener como resultado de las simulaciones, las relaciones H-Q, que se adjuntan en la Figura Este resultado fue posteriormente utilizado en la simulación del comportamiento de la salida del reservorio, para condicionar la salida del mismo. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 38

43 Arroyo Barreiro - Relación Cota - Caudal en la restitución Q Total (m3/s) Cota IGN Cota IGN Q Total (m3/s) (msnm) (msnm) Figura 5.3.4: Relación H-Q para el Arroyo Barreiro aguas abajo de la presa INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 39

44 5.3.3 Modelación de todo el sistema en la situación actual sin obras. Tomando como base los relevamientos topográficos realizados en el área del reservorio, incluyendo los cursos afluentes, se configuró en el modelo Hec Ras, la geometría del sistema completo que conforma el Reservorio R09 en su condición actual, sin obras de atenuación. El objetivo de este análisis fue evaluar los niveles de inundación correspondientes a la situación actual, bajo condiciones de diseño, es decir, bajos las mismas condiciones de tormentas, pero sin los efectos producidos por la interposición de una presa y sus obras de regulación. Como se aprecia en la siguiente Figura, se representó el Arroyo El Gato a lo largo de la extensión que comprende el área que se destina al Reservorio R09, incluyendo el tramo aguas abajo de la localización de la presa. Figura 5.3.5: Esquema de modelación hidráulica del sistema completo. Los escenarios hidrodinámicos se tomaron en función de los resultados del modelo hidrológico lluvia escorrentía aplicado sobre el sistema de subcuencas del R07, y correspondieron a las siguientes condiciones de caudal pico: Recurrencia R=50 años y una tormenta de 24hs de duración condición de diseño para el descargador de fondo. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 40

45 Recurrencia R=200 años y una tormenta de 24hs de duración condición de diseño para el vertedero. Recurrencia R=2 años y una tormenta de 24hs de duración escenario de verificación del funcionamiento del sistema para recurrencias menores. Los resultados de este análisis se presentan en el punto , donde se evalúa específicamente el comportamiento del sistema actual sin obras respecto del proyecto planteado. Asimismo, en el Anexo 5.5 se incluyen salidas del modelo y figuras resultantes de esta modelación. 5.4 MODELACION HIDROLOGICA DEL SISTEMA El esquema de análisis consiste en la aplicación del modelo HEC-HMS previamente calibrado, para representar la cuenca sobre la que está localizada la obra en estudio, cuantificar los caudales que escurren hacia el reservorio como producto de las precipitaciones que caen en el área (hidrograma de ingreso) y posteriormente analizar la modificación y atenuación que las obras de regulación producen sobre tales caudales (hidrograma de salida). Esta metodología incluye la interacción con el diseño de las obras de descarga, las que incorporadas al modelo permiten evaluar el funcionamiento hidráulico del reservorio. Como ya se mencionó, el modelo de transformación lluvia escorrentía aplicado fue el del hidrograma unitario de Clark, mientras que para la determinación del escurrimiento directo (a través de la evaluación de las pérdidas) se seleccionó el método del Servicio de Conservación de Suelos de los EE.UU. (SCS Curve Number) Localización del área y subcuencas El reservorio R07 se localiza como cierre de la subcuenca del Arroyo Barreiro, sobre el límite este del partido de La Matanza, en el sector Norte de la cuenca media-alta del Río Matanza. En la siguiente imagen se indica la ubicación del reservorio y la subcuenca de aporte. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 41

46 Subcuenca Oeste A Barreiro Área = 11,8 km² Long = 5,9 Km h = 13,75 m Subcuenca Este A Barreiro Área = 12,7 km² Long = 5,9 Km h = 13,75 m Cierre R 07 Figura 5.4.1: Delimitación de subcuencas de aporte al Reservorio en estudio y principales características geométricas. La subcuenca de aporte presenta un uso del suelo rural captando los caudales de la parte del límite sur-este de la cuenca del Río Matanza, con una superficie de 24,5 Km Determinación del tiempo de concentración Tal como fuera indicado en el apartado dedicado a la calibración del modelo hidrológico, el tiempo de concentración de una subcuenca se determina mediante la aplicación de la fórmula de Kirpich. Luego a los fines de la aplicación del modelo se calcula el valor de Tc adoptado, multiplicando el valor calculado por un factor de 1,4. La Tabla muestra los parámetros obtenidos de la información topográfica, el tiempo de concentración Tc calculado con la fórmula antes indicada y el tiempo de concentración Tc adoptado para ser incluido en el modelo hidrológico, en concordancia con el resultado de la calibración. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 42

47 Subcuenca Arroyo Barreiro S C Oeste Arroyo Barreiro S C Este Superficie Long. Cauce Long. Terreno L Δ H S Tc Kirpich Tc adoptado s/calibracion [Km 2 ] [Km] [Km] [pies] [m] [hs] [hs] 11,8 5,04 0, ,75 0,0023 2,7 4,0 12,7 4,61 1, ,75 0,0023 2,7 4,0 Tabla 5.4.1: Resumen estimación del tiempo de concentración Número de curva CN Para la aplicación del método de estimación de las pérdidas del SCS, es necesario definir el valor de CN para la cuenca, en función de sus características superficiales, pendiente, cobertura vegetal y uso preponderante del suelo. En el presente caso, la modelación se realiza con fines de diseño de obras de regulación, y en tal caso se asume que la lluvia de proyecto se produce en una condición de humedad precedente saturada. Ello es de algún modo conservador para tormentas de corta duración, no obstante, como la lluvia de diseño tiene una duración de 5 días, la condición de saturación del suelo será seguramente alcanzada. Asi, para esta aplicación se mantiene el valor CN=82 coincidente con el utilizado en la calibración para el caso de humedad antecedente saturada, de modo que el escurrimiento superficial resultante se maximiza frente a cualquier otra condición previa de humedad del suelo Resumen de parámetros de modelación lluvia-escorrentía Considerando las condiciones y ajustes utilizados en la calibración del modelo, se configuró el modelo del Reservorio R09 para su operación y posterior utilización en la fase de diseño de las obras de control. En resumen, los parámetros introducidos al modelo son: Tc ajustado = 1,4 * Tc calculado = 4,0 hs Coeficiente de Almacenamiento SR = Tc Abstracción inicial= 0 (nula). CN = 82 (condición preexistente de saturación) Porcentaje de área impermeabilizada: 25% El esquema siguiente muestra los elementos conectados que fueron incluidos en la simulación. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 43

48 Figura 5.4.2: Esquema de elementos para representación de la subcuenca que aporta al reservorio R Curva Cota Volumen de almacenamiento del Reservorio Esta relación se determinó a partir de la información topográfica que resultó de las campañas de campo realizadas en el marco del estudio. El modelo la considera para evaluar la cota de almacenamiento tiempo a tiempo, en función del hidrograma de entrada, y la descarga por el sistema orificio + vertedero. La siguiente tabla resume la curva H-V utilizada. Cota [IGN] Vol [1000m3] Cota [IGN] Vol [1000m3] 13, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 44

49 16, , , , Tabla 5.4.2: Relación Cota-Volumen de almacenamiento para el Reservorio R Curva Cota Caudal de la restitución La relación H-Q (cota caudal) surge del resultado de la aplicación del modelo hidrodinámico unidimensional, aguas abajo del reservorio, descripto en párrafos anteriores. El modelo la utiliza para evaluar tiempo a tiempo el grado de ahogamiento aguas abajo de las alcantarillas, de modo de ajustar la capacidad de descarga de las mismas, y consecuentemente la condición de embalse aguas arriba. Arroyo Barreiro - Relación Cota - Caudal en la restitución Q Total (m3/s) Cota IGN (msnm) Q Total (m3/s) Cota IGN (msnm) Tabla 5.4.3: Relación Cota-Caudal (H-Q) en la restitución Bases para el diseño El estudio y la definición de las obras realizado tiene su punto de partida en el Anteproyecto efectuado por ACUMAR dentro del Plan Director Básico de Drenaje Pluvial 2009, tomando del mismo ciertos parámetros de referencia, a partir de los cuales se aplicaron los criterios de diseño y se realizaron las evaluaciones correspondientes. En cuanto a la traza de la presa, la misma fue ajustada tanto en forma como en longitud, en función de los datos topográficos más detallados relevados en el presente estudio, y considerando una separación apropiada del camino pavimentado existente inmediatamente aguas abajo de la misma. En términos generales, el dimensionamiento de las obras de descarga se basó en las dos siguientes premisas: Lograr la mayor atenuación posible mediante la descarga única por orificios, frente a una tormenta de recurrencia R=50 años y una duración compatible con el objetivo buscado, que en este caso resulta de 24hs. No sobrepasar una determinada cota admisible de inundación frente a la situación de verificación extrema de inundación en el embalse, establecida como de recurrencia R=200 años y 120hs de duración. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 45

50 En primer lugar, la cota de inundación máxima, uno de los parámetros tomados como base, fue determinada en función de la topografía disponible, procurando maximizar el volumen a embalsar, y teniendo en cuenta una revancha razonable con respecto a la cota de coronamiento de la presa. Se estableció como máximo valor admisible el entorno entre +18,40m y +18,45m, adoptándose como cota de coronamiento +19,20m. En segundo lugar, una vez establecida el área máxima disponible, se procedió al diseño del sistema de descargador de fondo, y posteriormente al diseño del vertedero. Para ello, siendo que el objetivo principal de las obras debe orientarse principalmente a contribuir a la disminución de los caudales y por ende a los daños que las inundaciones producen sobre las zonas urbanas localizadas en la zona baja de la Cuenca Matanza, se reconoce como más apropiado aquel diseño que presenta el mayor grado de atenuación de los caudales que escurren hacia el reservorio. Esto se logró considerando una lluvia de recurrencia R=50 años y una duración de 24hs, llegándose a un diseño que asegura una atenuación del 86%, a través de 2 descargadores de fondo de 1m de diámetro cada uno. Con el resultado obtenido, y en función de la cota alcanzada por el embalse para dicha situación se determinó la cota del vertedero, en +17,65m, y se diseñó entonces el vertedero estableciéndose la longitud necesaria para que el nivel máximo de embalse no supere el valor deseado y determinado previamente como +18,45m. La tormenta utilizada para verificar esta cota en el funcionamiento del sistema corresponde a una recurrencia R=200 años y una duración de 120hs. Finalmente, se determinó la cota de coronamiento de la presa, en +19,20m, la cual plantea una revancha de +0,75m con respecto a la cota de inundación máxima. Adicionalmente, se verificó el funcionamiento de la obra frente a recurrencias menores, procurando evaluar el grado de transparencia de las mismas. Dado que lograr un diseño transparente para lluvias de poca recurrencia (2 años, por ejemplo) implica limitar el grado de atenuación para las lluvias de mayor magnitud, se ha priorizado alcanzar la máxima atenuación posible aún a costa de alguna afectación para estas lluvias de baja recurrencia, puesto que el objeto de las obras planteadas es justamente minimizar el impacto de los eventos de mayor magnitud, los cuales sin duda tienen perores consecuencias sobre los sectores aguas abajo Planteo de alternativas Para la operación del modelo hidrológico es necesario introducir en el mismo las características de las obras (descargador de fondo y vertedero). Para el descargador de fondo se han previsto una serie de alcantarillas dispuestas en correspondencia con el cauce. La configuración de las mismas en el modelo, requiere el ingreso de los datos geométricos, las cotas de fondo, el coeficiente de rugosidad, y los coeficientes de pérdida de energía de la embocadura y salida. Para el caso del vertedero, se debe introducir el tipo de vertedero, la cota de cresta, la longitud y los coeficientes de pérdida de energía. De esta manera se simula el funcionamiento incluyendo la laminación de la descarga cuando funcionan en conjunto el descargador de fondo y el vertedero. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 46

51 Para la selección de la configuración geométrica más adecuada, que cumpla con las bases establecidas para el diseño, se realizó un análisis de múltiples alternativas, que se muestra a continuación. Primero se plantearon diferentes esquemas para el descargador de fondo, y luego, en base a los resultados obtenidos, se planteo un sistema de alternativas para el diseño del vertedero. Descargadores Alternativa Diam (m) Area (m2) A 2 Ø 1,00 1,6 B 3 Ø 1,00 2,4 Tabla 5.4.4: Planteo de alternativas para determinar la configuración geométrica del descargador de fondo Descargadores Vertedero Alternativa Diam (m) Cota Vert. (msnm) Long Vert (m) A 2 Ø 1,00 19,65 10 B 3 Ø 1,00 19,75 30 Tabla 5.4.5: Planteo de sub-alternativas para determinar la configuración geométrica del vertedero Funcionamiento del sistema de descargadores de fondo Se realizó una serie de corridas del modelo hidrológico, tomando las diferentes alternativas y evaluando para cada una el grado de atenuación logrado, así como la cota de embalse alcanzada. Los resultados se resumen en la siguiente tabla, para una tormenta de 24hs de duración y recurrencia 50 años. Descargadores P 24 - R 50 años Alternativa Diam (m) Area (m2) CE QE Resultados Qsalida orificio Atenuación Area embalse (HA) A 2 Ø 1,00 1, ,46 7,88 86% 117 B 3 Ø 1,00 2,4 17,49 63,46 11,03 83% 107 Tabla 5.4.6: Resumen resultados de corridas para recurrencia 50 años y duración 24hs. Se puede ver que la alternativa A es la que presenta un mejor grado de atenuación, superando el 85%, a la vez que alcanza una cota de inundación en el entorno admisible. Los hidrogramas resultantes de las corridas para estos casos, se adjuntan en el Anexo Verificación del sistema con Vertedero INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 47

52 Con el objeto de evaluar ahora el funcionamiento conjunto del descargador de fondo y el vertedero, se configura el modelo para un escenario que contempla la ubicación de la cresta del vertedero coincidente con la cota de inundación alcanzada para R=50 años, y se plantea una lluvia de 120 horas de duración para una recurrencia de 200 años. Dicho escenario se verifica en las alternativas planteadas, de modo de poder seleccionar aquella que mejor se adecúa a las premisas de diseño, específicamente en cuanto a la cota máxima de embalse. La siguiente tabla resume los resultados obtenidos, mientras que los hidrogramas correspondientes se adjuntan en el Anexo INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 48

53 P R 200 años Descargadores Vertedero Resultados Qs orif (m3/s) Qs vert (m3/s) Qs total (m3/s) Caudal específico Vertedero (m2/s) Area embalse (HA) Atenuacion para R50 P24 Alternativa Diam (m) Cota Vert. Long Vert Cemax QE (m3/s) A 2 Ø 1,00 17, ,42 94,68 8,05 12,06 20,1 1, % B 3 Ø 1,00 17, ,21 94,68 11,6 10,5 22,1 1, % Tabla 5.4.7: Resumen resultados de corridas para recurrencia 200 años y duración 120hs INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 49

54 Selección de alternativa Resumen de resultados En función del análisis realizado y mostrado en los puntos anteriores, se ha considerado la alternativa C.2 como la más adecuada, en virtud de que alcanza la mayor atenuación para el funcionamiento único de los descargadores, e implica una cota de inundación máxima de +24,55m, compatible con el máximo admisible. Asimismo, y como se muestra en el punto , no presenta diferencias sustanciales con las otras alternativas en cuanto a la afectación para recurrencias menores. LONG. DE TERRAPLEN (m) COTA DE CORONAMIENTO PRESA COTA BASE DESCARGADOR DE FONDO Maxima Altura de Presa (CC - C basedf) ,20 IGN 13,50 IGN 5,70 TIPO DE DESCARGADOR DE FONDO COTA DE VERTEDERO DE EXCEDENCIA LONG. DEL VERTEDERO (m) 2 x Ø 1,00m 17,65 IGN 10 TORMENTA DE DISEÑO (TR) Años AREA SUPERFICIAL MÁX.(Ha) VOLÚMEN MAX. DE AGUA (Hm3) NIVEL MÁX. DE AGUA ,63 IGN ,42 IGN TORMENTA DE DISEÑO (TR) Años CAUDAL DE ENTRADA (m3/s) CAUDAL DE SALIDA (m3/s) PORCENTAJE DE AMORTIGUAMIENTO (%) TIEMPO DE PERMANENCIA DEL AGUA EN EL RESERVORIO [días] 50 63,5 7,9 86% 4, ,7 20,1 79% 8,0 Tabla 5.4.8: Resumen de resultados de diseño q [m3/s / Km2] Coeficiente de Escorrentía Volumen Específico [m3/ha] R50 2,6 0, R200 3,9 0, Tabla 5.4.9: Coeficientes característicos INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 50

55 ARROYO MEDINA -ESQUEMA DE RESULTADOS R = 50 Años 19,20 17,63 17,65 Qp Entrada: 63,5 m3/s Qp DescargaTotal: 7,9 m3/s 14,71 13,50 Alcantarilla: 2 x Ø 1,00m Qa=7,9m3/s ARROYO MEDINA -ESQUEMA DE RESULTADOS R = 200 Años 19,20 18,42 17,65 Qp Entrada: 94,7 m3/s Qv=12,1m3/s Qp DescargaTotal: 20,1 m3/s 15,36 13,50 Alcantarilla: 2 x Ø 1,00m Qa=8,1 m3/s INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 51

56 Análisis para recurrencias menores Adicionalmente a lo ya descripto para el diseño de las obras, se realizó un análisis de las condiciones de inundación en el reservorio para lluvias de 2 años de recurrencia, y duraciones de 24 horas y menores, de 4 y 6 horas correspondientes aproximadamente a Tc y 1,5.Tc (Tc = tiempo de concentración). En principio es deseable que las obras de descarga sean transparentes para las crecidas generadas por tormentas de proyecto de recurrencias bajas, por ejemplo 2 años de recurrencia, esto es, que su paso se produzca sin regulación y por tanto sin producir ninguna inundación en el reservorio, más allá de la que naturalmente ocurre en el cauce. Este precepto implica una solución de compromiso con la necesidad de optimizar la regulación para lluvias de recurrencias mayores, y puede darse el caso que para cumplir este objetivo sea necesaria una sección de pasaje de las alcantarillas mayor que la resultante de optimizar la regulación para la recurrencia de proyecto. En el caso en estudio, y reforzando el objetivo del proyecto en sí mismo, que se centra en contribuir a la disminución de los caudales a través de la máxima regulación y por ende a los daños que las inundaciones producen sobre las zonas urbanas localizadas en la parte baja de la Cuenca Matanza, se ha previsto permitir una cierta afectación, para cuya cuantificación se realiza una verificación del funcionamiento de las alternativas para las diferentes lluvias de baja recurrencia. Bajo esta premisa, se configuró el modelo para las mismas condiciones de proyecto y se aplicó a tres tormentas, con duraciones 24hs, 6hs y 4hs respectivamente correspondientes a 2 años de recurrencia. Los hietogramas correspondientes se incluyen en el Anexo Se establecen entonces las precipitaciones totales (mm) para una recurrencia de 2 años, extraídas de las distribuciones de Gumbel. P 24hs = 71mm P 6hs = 44 mm P 4hs = 38 mm Los resultados obtenidos para cada una de las alternativas analizadas, así como el grado de atenuación de dicho esquema, y su comparación respecto del área máxima a embalsar, se resumen a continuación, mientras que los hidrogramas correspondientes a la alternativa seleccionada se incluyen en el Anexo INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 52

57 Descargadores P 24 - R 2 años Alternativa Diam (m) CE QE Resultados Qsalida orificio Area embalse (HA) Area embalse máxima % Area embalsada A 2 Ø 1,00 16,49 27,4 6, % B 3 Ø 1,00 16,31 27,4 8, % Descargadores P 6 - R 2 años (duración = 1.5 Tc) Alternativa Diam (m) CE QE Resultados Qsalida orificio Area embalse (HA) Area embalse máxima % Area embalsada A 2 Ø 1,00 15,89 21,29 5, % B 3 Ø 1,00 15,74 21,29 7, % Descargadores P 4 - R 2 años (duración = Tc) Alternativa Diam (m) CE QE Resultados Qsalida orificio Area embalse (HA) Area embalse máxima % Area embalsada A 2 Ø 1,00 15,68 18,69 5, % B 3 Ø 1,00 15,53 18,69 6, % Tabla : Resultados para Tormentas de 24hs, 6hs y 4hs (R= 2 años) Asimismo, con los resultados obtenidos se realizó un análisis de las manchas de inundación que se producirían para la tormenta de 24hs. En la Figura siguiente se muestran las manchas resultantes para las alternativas A y B. Como puede apreciarse, no existen grandes diferencias entre ellas, por lo que se opta por la alternativa A de mayor atenuación. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 53

58 Alternativa A Alternativa B Figura 5.4.3: Afectación prevista para Tormenta de 24hs (R= 2 años) Adicionalmente, y de acuerdo con los resultados obtenidos en el modelo hidráulico del sistema sin obras, para un caudal de entrada equivalente al caudal de entrada al reservorio para el escenario Recurrencia R=2 años P24hs, la siguiente figura permite comparar, sobre el perfil del arroyo modelado, los niveles de inundación que produce la lluvia de 24 horas y 2 años de recurrencia para las alternativas A y B. 2Ø1,00m (alt A ) 3Ø1,00m (alt B) Figura 5.4.4: Perfil Longitudinal Arroyo Barreiro INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 54

59 Comportamiento del sistema actual sin obras Tal como se indicó en el punto del presente informe, se realizó la modelación hidráulica del sistema completo en la situación actual, sin obras, para los siguientes escenarios. Recurrencia R=50 años y una tormenta de 24hs de duración condición de diseño para el descargador de fondo Q = 63,5 m 3 /s. Recurrencia R=200 años y una tormenta de 24hs de duración condición de diseño para el vertedero Q = 94,7 m 3 /s. Recurrencia R=2 años y una tormenta de 24hs de duración escenario de verificación del funcionamiento del sistema para recurrencias menores Q = 27,4 m 3 /s. Los valores de cada escenario surgen de la modelación hidráulica de las subcuencas, y los resultados son útiles a los efectos de conocer cuál es la afectación que provocan estos escenarios sobre el estado natural de los cursos de agua, es decir sin la presencia de las obras de regulación. Los resultados completos de la modelación hidráulica, así como las figuras resultantes para los distintos escenarios de inundación, se adjuntan en el Anexo 5.5. La existencia de las obras implicará que inmediatamente aguas arriba el embalse propiamente dicho produzca una afectación adicional, por sobre las áreas que naturalmente se ven afectadas. Lógicamente dicha afectación adicional es mayor a medida que aumenta la magnitud de las lluvias que el embalse deba regular. Las siguientes figuras resumen las áreas que se verían inundadas frente a las tres situaciones planteadas. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 55

60 Figura 5.4.5: Escenario recurrencia 2 años para una lluvia de 24hs de duración. Superposición de modelación hidráulica sin obras con modelación hidrológica con obras INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 56

61 Figura 5.4.6: Escenario recurrencia 50 años para una lluvia de 24hs de duración. Superposición de modelación hidráulica sin obras con modelación hidrológica con obras Figura 5.4.7: Escenario recurrencia 200 años para una lluvia de 120hs de duración. Superposición de modelación hidráulica sin obras con modelación hidrológica con obras INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 57

62 5.5 ANALISIS DE OLEAJE EN EL EMBALSE El presente punto tiene por objetivo describir el procedimiento utilizado para la estimación de la altura de ola incidente sobre el talud de la presa, como así también mostrar los resultados obtenidos del análisis. El método de estimación consiste en determinar el período y la altura de ola para cada uno de los vientos significativos incidentes sobre el reservorio, evaluando los casos en que la altura de ola se encuentra limitada por el fetch o limitada por la duración del viento. La formulación utilizada para realizar los cálculos fue obtenida de la Parte II del CEM Coastal Engineering Manual (CEM 2008) Datos de viento Se recopilaron los datos estadísticos de vientos registrados en la estación climatológica ubicada en Ezeiza, Provincia de Buenos Aires, entre los años 1981 y Dichos valores corresponden a velocidades medias de viento por dirección y valores extremos por mes. Las Tablas y resumen los datos que resultan de interés para el análisis. SERIE DIRECCIÓN ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC NE 10,5 9,9 8,3 8,9 9,3 9,7 9,9 10,6 11,4 10,9 9,5 9,8 NW 11,4 10,6 8,0 9,6 9,9 10,5 10,9 13,5 11,9 14,2 13,6 10,0 Tabla 5.5.1: velocidades medias de viento [Km/h] SERIE ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC VELOCIDAD MÁXIMA 76,0 67,0 57,0 63,0 56,0 56,0 67,0 59,0 59,0 70,0 61,0 81,0 DIRECCIÓN NW SW S S WSW WSW NW SSW WSW SW W NW Tabla 5.5.2: velocidades extremas de viento [Km/h] Asimismo, se consideraron unas estadísticas correspondientes al aeropuerto de Aeroparque, en las cuales se diferencian los registros por intensidad y dirección, tal como se presenta a continuación. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 58

63 Tabla 5.5.3: distribución de vientos por dirección e intensidad para la estación Aeroparque Vientos de diseño Dado que el análisis de olas se realiza para evaluar posibles sobrepasos, que los tiempos estimados de permanencia del agua en el reservorio son relativamente bajos, y que las máximas intensidades se asocian a cortas duraciones, se consideró un criterio basado en tomar aquella intensidad de viento asociada al 80 a 90% de permanencia. Asi, tomando los datos recopilados, se determinó que la velocidad de viento de diseño sería de 35Km/h Medición del fetch Dado que la generación de oleaje debido al viento depende del espacio disponible a lo largo de una dirección (fetch), se evaluó la extensión del reservorio, para diferentes orientaciones con respecto al cierre. En la Figura se muestran los valores máximos de fetch disponibles asociados a cada una de las direcciones adoptadas para la estimación de la altura de ola. En el análisis se consideró el reservorio lleno hasta la cota de máxima altura de agua de embalse, lo que representa la situación donde se dan los mayores valores de fetch y altura de ola. Es decir, cualquier condición de embalse por debajo de esta cota derivará en valores de oleaje de menor magnitud. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 59

64 Figura 5.5.1: Determinación del fetch por direcciones Estimación de altura de ola Una vez determinados los parámetros de vientos según direcciones y los fetch asociados a éstas, se procedió a la aplicación de la metodología propuesta. Se analizó la altura de ola tanto en condición limitada por el fetch (fetch-limited condition) como limitada por la duración del viento (duration-limited condition), y se obtuvo la serie de valores con resultados de altura de ola para las diferentes condiciones de viento y dirección. En la Tabla se muestran los resultados obtenidos, donde se han resaltado los valores máximos. Viento Periodo Fetch útil ALTURA DE OLA Dirección Velocidad Duración Fetch Condición de ola [Coord.] [Km/h] [min] [m] [m] [s] [m] NE Fetch-Limited ,45 0,19 NE Duration-Limited ,27 0,16 NW Fetch-Limited ,38 0,18 NW Duration-Limited ,21 0,15 Tabla 5.5.4: estimación de la altura de ola. Formulación del CEM INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 60

65 5.5.5 Análisis de los resultados obtenidos Como se observa en la tabla anterior, las mayores alturas de ola ocurren cuando los vientos soplan desde el Noreste, en condiciones de limitación debida al fetch. Esto quiere decir que para las intensidades de viento analizadas, duraciones superiores a las asociadas a esta condición no producirán una altura de ola mayor a 0,19 m. De dicho resultado se concluye que la revancha de 0,75 m disponible entre la cota de máximo embalse (para recurrencia 200 años) y la cota de coronamiento resulta suficiente. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 61

66 6. PROYECTO LICITATORIO 6.1 PROYECTO DE LA PRESA Trazado del cierre La traza del cierre se planteó con un trazado similar al propuesto por el Anteproyecto, con la diferencia de que no es coincidente con la traza del camino de tierra sobre el que estaba planteado, sino que se desplazó hacia aguas arriba, unos 30 m, de modo de evitar modificaciones al camino. Asimismo se completó el cierre hasta la cota de coronamiento prevista de +19,20 y se orientó el cruce del arroyo en forma perpendicular. El cierre tiene una longitud total de m. La Figura muestra la traza del cierre en toda su longitud y ubicación de la obra de descarga en coincidencia con el Aº Barreiro. (Ver Planos R07-01 a 04 para mayores detalles) Cierre del Reservorio Descargador de fondo + Vertedero Arroyo Barreiro Camino de tierra Figura 6.1.1: Layout de la traza del cierre del Reservorio INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 62

67 Cierre del Reservorio Pie de Talud Descargador de fondo + Vertedero Figura 6.1.2: Zona con obras de descarga y aliviador Diseño del perfil de la presa El perfil de la presa se diseñó con un ancho de coronamiento de 5m, previsto en cota +19,20m.s.n.m, y taludes con pendientes 1V:3H en la cara hacia aguas arriba y 1V:2,5H en la cara aguas abajo. Para dicho perfil, se prevé una cota máxima para el embalse de +18,42m.s.n.m.en la Recurrencia 200 años. Figura 6.1.3: Sección transversal de la obra de control INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 63

68 6.1.3 Fundación de la presa Terraplén En base a los estudios de geotecnia realizados en la zona de emplazamiento de la obra, se plantea la necesidad de remover en toda la superficie de apoyo del terraplén la capa superior del suelo. Las profundidades de los destapes a ejecutar son las siguientes: 0,50 m: de progresiva 0 a 400 y de progresiva a ,25 m: de progresiva 400 a y de progresiva a ,50 m: de progresiva a (curso del arroyo El Gato) Luego de ejecutar el destape se realizará una compactación del suelo base al 98% del Proctor T Descargador de Fondo / Vertedero En cuanto a las obras de hormigón, se propone que el conjunto vertedero-aliviador de fondo se construya con apoyo directo sobre terreno natural compactado. El Descargador de Fondo / Vertedero deberá ser construido sobre el terreno natural después de haber eliminado todo suelo blando y de haber re compactado el mismo de forma controlada. Se debe construir una platea de suelo cemento con una resistencia a la compresión simple 7kg/cm 2 en una superficie que exceda el ancho del conducto y que transmita una tensión al suelo que no supere los 0,70 Kg/cm 2, a su vez esta debe ser ejecutada sobre una base de asiento compactada al 98% de la densidad del Proctor correspondiente. Se propone un apoyo sobre una capa de suelos cemento de 0,30 m de espesor con tensiones de compresión simple igual o superior a los 7 Kg/cm 2. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 64

69 6.1.4 Filtraciones en la presa Modelación de la red de filtración Para la simulación de la red de filtración a través de la presa y las capas de suelo subyacente se empleó el programa SLIDE 5.0 creado por la empresa Rocscience de Canadá. Este es un modelo 2D que posee un módulo de análisis de equilibrio límite de estabilidad de taludes y otro para el análisis de filtración de aguas subterráneas mediante el método de elementos finitos que puede ser empleado independientemente del módulo de estabilidad de talud o interrelacionados. El programa permite trabajar con estratos de distintas permeabilidades (heterogeneidades) y con variaciones de la misma en las distintas direcciones (anisotropía) Geometría modelada La sección analizada se ubica en el sector adyacente al Arroyo donde el terraplén presenta mayor altura. La ubicación en planta y el croquis de la geometría de las secciones analizadas se adjuntan a continuación: Prog Figura 6.1.3: Ubicación de sección analizada Figura 6.1.4: Sección transversal analizada INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 65

70 Propiedades hidráulicas de los suelos Para estimar el coeficiente de conductividad hidráulica del terraplén se realizaron ensayos de permeabilidad sobre probetas moldeadas a densidades del 95% de la densidad máxima de los ensayos Proctor correspondiente. De los resultados obtenidos se adoptó el valor más desfavorable que resultó K=2,2 E-07 cm/s (Ver Planillas Ensayo en Anexo 05 Informe Estudios Básicos Geotecnia). Las conductividades hidráulicas de las capas subyacentes al terraplén se estimaron en función de los valores recomendados en bibliografía específica para el tipo de suelo hallado. En función de lo descripto los valores finalmente adoptados para el modelo fueron los siguientes: Terraplén K=2,2E-07 cm/s Capas superiores del suelo de asiento: K=3,0E-05 cm/s Capas inferiores del subsuelo con mayor densificación K=8,0E-06 cm/s Condiciones simuladas En la sección analizada se consideraron las condiciones de crecidas para 50 y 200 años de recurrencia para las cuales corresponden los niveles que se resumen en la siguiente tabla: R50 R200 Aguas Arriba Aguas Abajo Aguas Arriba Aguas Abajo 18,30 14,43 18,65 14, Resultados obtenidos Se presentan a continuación las salidas gráficas del modelo que permitió definir la red de filtración en la presa y el subsuelo ya además se indica el caudal atravesado en una sección de la presa de tierra. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 66

71 R=50 AÑOS 6,29x10-10 m³/s R=200 AÑOS 7,62x10-10 m³/s INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 67

72 6.1.5 Estabilidad de Taludes En el presente punto se realiza el análisis de estabilidad de los taludes húmedos y secos en cada una de las secciones estudiadas en el punto anterior. El programa utilizado es SLIDE 5.0, aplicado en el análisis de filtraciones, que tiene la particularidad de posibilitar el análisis de aguas subterráneas mediante el método de elementos finitos y calcular la presión de poros que luego se integra al análisis de la estabilidad de taludes. De esta manera el análisis la red de filtración y el nivel de saturación definidos anteriormente se integran al análisis de los taludes en este estudio. El programa permite, además evaluar la estabilidad de taludes conformados por tipos múltiples de suelos, con estratos de suelos de espesores variables y discontinuos. El análisis del coeficiente de seguridad al deslizamiento puede ser evaluado por los siguientes métodos: Ordinario o Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer, GLE/Morgenstern-Price, Cuerpo de ingenieros, Lowe-Karafiath Situaciones a Modelar Se analizó la estabilidad de los taludes seco y húmedo sobre las secciones cuyas condiciones de filtración se analizaron en punto El análisis se efectuó para las 2 situaciones de crecidas (R=50 y 200 años) y para la condición más desfavorable de un descenso rápido Parámetros geotécnicos de los suelos Los parámetros geotécnicos de las capas del suelo natural subyacente al terraplén se determinaron en función de los estudios geotécnicos de donde se obtuvieron valores de densidad natural de los distintos estratos y por otro lado mediante la determinación de la resistencia normal a la penetración (N) que permitieron estimar en forma indirecta los valores de cohesión y fricción. En el caso del terraplén los parámetros de corte se adoptaron a partir de ensayos realizados sobre probetas de suelo de características del material a utilizar moldeada a una densidad igual al 95% de la máxima del Ensayo Proctor y a la humedad óptima. Los valores adoptados fueron: C=0,25 Kg/cm² y ϕ=15º (Parámetros de corte para el material de Terraplén). INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 68

73 Resultados obtenidos A continuación se resumen los resultados obtenidos. En las figuras adjuntas se grafica la superficie de falla y se indica el coeficiente de seguridad al deslizamiento. Se destaca que en todas las simulaciones se ha integrado el análisis del drenaje subterráneo con la estabilidad del talud en el cálculo de la presión de poros y se ha modelado la situación más desfavorable de un descenso rápido de los niveles de crecida. SECCION PROGRESIVA ESCENARIO CRECIDA R=50 Años R=200 Años TALUD Coef. Seg. al deslizamiento Fs Aguas arriba 1,544 Aguas abajo 1,859 Aguas arriba 1,500 Aguas abajo 1,849 Tabla 6.1.2: Resultados del Coeficiente de Seguridad al Deslizamiento INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 69

74 SECCION PROGRESIVA R=50 AÑOS TALUD AGUAS ARRIBA R=50 AÑOS TALUD AGUAS ABAJO INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 70

75 SECCION PROGRESIVA R=200 AÑOS TALUD AGUAS ARRIBA R=200 AÑOS TALUD AGUAS ABAJO INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 71

76 6.2 PROYECTO HIDRÁULICO DE LAS OBRAS DE DESCARGA Se describen las tareas que involucran los cálculos hidráulicos necesarios para el diseño detallado de cada una de las obras de descarga, tanto las estructuras dispuestas en el fondo como el vertedero, siendo todas obras sin elementos de control. El caso en estudio comprende la ejecución de una única obra de descarga, compuesta por un vertedero aliviador con orificios de fondo, localizado en coincidencia con la traza del Arroyo El Gato. La función de los aliviaderos en las presas reguladoras es dejar escapar el agua excedente o de avenida que no cabe en el espacio destinado para almacenamiento. Los volúmenes en exceso se toman de las partes inferior y superior del embalse creado por la presa y se conducen por conductos artificiales de nuevo al río o a algún canal de drenaje natural. Las superficies que forman el canal de descarga del vertedor deben ser resistentes a las velocidades erosivas creadas por la caída desde la superficie del vaso a la del agua de descarga y, generalmente, es necesario algún medio para la disipación de la energía. Las avenidas pequeñas se almacenaran en el vaso y se derivaran por las tomas de fondo y las descargas por el vertedor se producirán durante las crecidas elevadas, cuando las capacidades de las salidas del fondo se exceden. En el presente caso se utiliza la avenida de 50 años para calcular las alcantarillas que operan como descargador de fondo y de 200 años para el aliviadero superficial Descargador de fondo Se han adoptado orificios circulares, ubicados en el fondo de la obra. Se han dispuesto alineados a la orientación del cauce. Su entrada está colocada verticalmente y la abertura de entrada será de aristas vivas y la pendiente de fondo cercana al 0,1%. La Figura muestra la disposición en planta y la Figura presenta el corte B-B. El Plano de Ingeniería R07-02 muestra la ubicación de la obra mientras que los detalles completos del descargador de fondo pueden verse en el Plano de Ingeniería R07-04: Vertedero y Descargador Planta, Corte y Vista. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 72

77 Figura 6.2.1: Vista en planta de la obra INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 73

78 Figura 6.2.2: Corte transversal de la obra de descarga INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 74

79 Para conformar la sección total de pasaje se prevén tres (2) tubos de 1,00 m de diámetro que se ubican sobre la cota de fondo del vertedero. La entrada funcionará como vertedor para las cargas pequeñas cuando no está ahogado y como orificio cuando lo está. Al aumentar la profundidad a la que está ahogado, el gasto se controlará funcionando como tubo y, finalmente, cuando está más sumergido, el conducto funcionará como tubo forzado. Los orificios descargarán directamente a la platea disipadora del vertedero, que luego retoma la traza del cauce, y para las estructuras de las mismas no está prevista la colocación de una estructura terminal, sino colchonetas de protección del fondo. El diseño se realizó para la tormenta de diseño de 50 años y 24hs de duración, considerando que para dicho escenario, el funcionamiento de las obras de descarga es exclusivamente mediante los orificios. Para ello, y como se ha descripto en el Capítulo 5, se implementó una herramienta matemática que permitió representar la respuesta de la cuenca, y la respuesta del reservorio y sus obras de descarga, para el mencionado escenario Aliviadero superficial La estructura de control Uno de los componentes principales de un aliviadero es la estructura de control o vertedero, porque regula y gobierna las descargas del vaso. Este control limita o evita las descargas cuando el nivel del vaso llega a niveles determinados, y también regula las descargas cuando el vaso alcanza niveles mayores a los ya fijados. El punto de tangencia (PT) entre el perfil y la recta tangente que lo continúa, se determina igualando la derivada de la función del perfil con la tangente de la recta, para la cual respecto a su ángulo de inclinación con la horizontal, se adopta 45º. X = 1,0*sen45º = 0,707 m Y = 1,0*(1- cos 45º) = 0,293 m La estructura de control adoptada será conformada en mérito al gasto especifico (q= 0,85 m 2 /s), con una pared vertical y cresta circular de 1 m de radio que se continua con una rápida de 45º de pendiente. La relación entre la carga hidráulica y la descarga se fija como simple rebosadero sin regulación, con la cresta a 17,65 msnm. En planta, será recto con la longitud necesaria de 10 m. Se ubica centrado al cauce existente, con su centro sobre la progresiva del eje de la presa. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 75

80 Estructura terminal El agua que pasa por el vertedor caerá del nivel del embalse aguas abajo por lo que la carga estática se convertirá en energía cinética. Esta energía será disipada al pie de la rápida con el objeto de no tener luego altas velocidades. Por lo tanto, se dispondrá de los medios que permitan descargar el agua en el río sin erosiones o socavaciones peligrosas en el talón de la presa y que no produzcan daños en las estructuras adyacentes Capacidad de descarga La capacidad de descarga del vertedero está en función de la longitud efectiva de la cresta, la carga, la geometría del perfil, las dimensiones y profundidad. Para la cuantificación de la descarga por vertedero se utiliza la ecuación: Q = CLe 3/ 2 H 0 Dónde: Q capacidad de descarga, m 3 /s C coeficiente de descarga dimensional, m 1/2 /s Le longitud efectiva de la cresta, m carga de diseño, m H 0 Los valores de cálculo son los siguientes: Q = 12,1 m 3 /s Le = 10 m H 0 = 0,77 m Se adoptó una cresta redondeada tangente a la pared vertical de aguas arriba y tangente al talud inclinado a 45º aguas abajo. Esta geometría de la cresta reduce notablemente los problemas constructivos en relación a elegir como cresta un perfil Creager. Se adopta un coeficiente de descarga C=1,8 m 1/2 /s cuya determinación se indica a continuación. Determinación del Coeficiente de gasto C El coeficiente de gasto C que aparece en la fórmula para la determinación de la capacidad de descarga del vertedero es la siguiente: C = µ*2/3*(2*g) 0.5 Donde µ se obtiene por aplicación de la formulación referida en el libro "Hidraulica General" Volumen 1 de Gilberto Sotelo Avila (México), que establece: µ = 0, ,09 * H 0 / w + ((0.3-0,01 * (5 - H 0 /r) 2 ) 0.5 Siendo: H 0 = carga de diseño (diferencia entre la cota de embalse y la cresta del vertedero) INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 76

81 r = radio de curvatura de la cresta del vertedero w = altura del antepecho del vertedero Para el presente caso resulta: COEFICIENTE DESCARGA VERTEDERO Radio de curvatura cresta vertedero r 1.00 m Cota maxima de embalse Cota cresta vertedero Carga de diseño (Altura de agua sobre la cresta) Cota base aguas arriba del vertedero H msnm msnm 0.77 m msnm Altura antepecho w 4.15 m Cota restitución 15,36 m Coeficiente µ µ 0,68 COEFICIENTE DE DESCARGA C 2,00 A los efectos del diseño se adopta un coeficiente de descarga C = 1,8 m 1/2 /s. Se debe tener en cuenta que estos valores son aproximados ya que se corresponden con estudios de laboratorio. La experiencia indica que vertederos de cresta redondeada presentan en general coeficientes de gastos cercanos a 2 por lo que el valor adoptado se considera adecuado Tanque amortiguador Para el diseño del tanque amortiguador, se tienen en cuenta las siguientes condiciones hidráulicas en el ingreso: Gasto Q = 12,06 m 3 /s Largo Lv = 10,0 m Nivel de embalse H = 18,42 msnm Cota cresta vertedero Hv = 17,65 msnm Luego, las condiciones hidráulicas en la sección de inicio del resalto son: Nivel de restitución: H1 = 15,36 (correspondiente al nivel de restitución del caudal total por orificio y vertedero) INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 77

82 CALCULO DISIPADOR R9 Caudal de diseño: Q m 3 /s Longitud vertedero: Lv 10 m Cota máxima de embalse: H msnm Cota restitución: Hr msnm Carga de velocidad: H = H-Hr 3.06 m Velocidad a la entrada del resalto: V= (2*g* H)^0, m/s Tirante al ingreso del resalto d1=q/(lv*v) m Nº Froude F=V/(g*d1)^0, Relación tirantes en resalto: d2/d1 = 1/2 * ((1+8F^2)^0,5-1) 8.38 Tirante al final del resalto d m Lr/h2 (Grafico Diseño Pequeñas Presas) 6.1 Longitud del resalto: Lr 7.96 m Respecto a la longitud del resalto hidráulico, se adopta una platea de 10 metros, otorgando un suficiente margen de seguridad (del orden del 10%), dado el carácter empírico de las bases del diseño. Fuentes: Hydraulic Desing of Stilling Basin and Energy Dissipators A. J. Peterka U S Department of the Interior. Bureau of Reclamation. Manual de Diseño de Pequeñas Presas. Bureau of Reclamation. Los gráficos siguientes (Figura 6.2.3) asisten en la determinación del tirante conjugado y longitud del resalto. INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 78

83 Figura 6.2.3: Propiedades del resalto hidráulico con relación al número de Froude INFORME DE INGENIERIA Reservorio R07 79