Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como Método de

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como Método de
Protección de Estructuras Hidráulicas de Regulación: Caso Santa Elena II
Development of Scaled Physical Model to Evaluate Scouring Protection Efficiency in Dry Dams
Sergio TORRES1, Osiris VIDAÑA2, Servio DE LA CRUZ 3, Víctor HERNANDEZ 4
1,2,3,4Universidad
Autónoma de Ciudad Juárez
RESUMEN: El objetivo de la presente investigación es evaluar, mediante el uso de un Modelo Físico Reducido (MFR), la
eficiencia del gavión utilizado como un método alternativo de protección en estructuras de regulación, aplicado al caso de
la estructura “Santa Elena II”, en Ciudad Juárez, Chihuahua. El MFR fue construido a escala 1:20 dentro de un equipo de
simulación hidrológica en el laboratorio de hidráulica de la UACJ. La escala del gasto y de coeficiente de rugosidad de
Manning se calculó utilizando los principios de semejanza de Froude. La elaboración y operación del MFR representó las
condiciones actuales de la estructura y las del empleo de gaviones en el punto de descarga del agua. Ambos modelos se
operaron con flujos representando la totalidad de la lluvia esperada para un año en la localidad. Mediante inspección
física se registró la socavación para cada escenario. Como resultado principal, se detectó que la socavación en el
escenario con gaviones representó en promedio el 26% de la socavación total que se presentó bajo condiciones
actuales. La investigación muestra la posibilidad de emplear MFR´s para evaluar escenarios donde métodos numéricos
están limitados a representar flujo hidráulico y también muestra la factibilidad de emplear gaviones para reducir
socavación.
ABSTRACT: The research employs a physical model to evaluate the efficiency of gabion as an alternative protection
method in dry dams applied to the study case of the dam known as Santa Elena II. The hydraulic structure is located in
Ciudad Juárez, Chihuahua. The scale physical model was developed following a geometric scale of 1:20 and was formed
into hydrologic simulation equipment in the Universidad Autónoma de Ciudad Juárez hydraulics laboratory. Flow rate and
Manning’s rugosity coefficient were calculated under the Froude similitude principles. In order to evaluate the proposed
modification’s efficiency, two models were elaborated to represent the current dry dam conditions and the dry dam with
the gabion-based modifications. Each model was operated with flow rates simulating the total rainfall expected during one
year in Ciudad Juárez. Scouring was monitored by physical inspection for each case. As the main result, average
scouring in the gabion case was detected to be about 26% of the current condition’s scouring. This result showed the
possibility of using physical models to evaluate cases in which numerical methods used to represent hydraulic flow are
limited and also results shows the feasibility of employ gabion to alleviate scouring.
1 INTRODUCCION
De acuerdo con el Plan Sectorial de Manejo
de Agua Pluvial (PSMAP), Ciudad Juárez,
Chihuahua se encuentra dividida en ocho grandes
cuencas. Una de ellas, denominada Zona VIII El
Barreal, es el área de estudio de la presente
investigación. Esta cuenca tiene la característica
significativa de presentar un drenaje de forma
endorreica, es decir, es una cuenca cerrada, y la
mayoría de sus escurrimientos se concentran en una
laguna intermitente ubicada ligeramente al norte de
su porción central.
En el punto más bajo de la cuenca fueron
construidos desarrollos habitacionales que se han
visto afectados por las inundaciones producto del
agua de lluvia escurrida de las partes altas de la
cuenca y el mal funcionamiento de las estructuras de
regulación emplazadas sobre las corrientes
principales de la vertiente. Actualmente, se
identifican seis obras hidráulicas de regulación,
clasificadas según el PSMAP como bordos: Santa
Elena I y II, Flourex, Charly I y II y Km 28.5 (Figura
1). Estas seis estructuras homogéneas, construidas
con material del lugar, es decir arcilla, consisten en
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2
Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como
Método de
Protección de Estructuras Hidráulicas de Regulación: Caso Santa
Elena II
cortinas con desfogue de fondo y vertedor de
demasías recubierto con mampostería.
A pesar de contar con estas obras hidráulicas en
esta cuenca, se han identificado dos eventos
significativos de riesgo a la población. El primero de
ellos ocurrido en agosto de 2006, cuando la
capacidad de operación normal (en términos de
hidráulica el NAMO – Nivel de Aguas Máximo
Ordinario) de las estructuras de regulación se vio
rebasada, por lo que entraron en operación los
vertedores de éstas.
permeabilidad del suelo, hasta que se optó por
extraer el agua haciendo uso de bombas y cisternas.
Esta contingencia causó pérdidas materiales a los
habitantes de los fraccionamientos afectados.
Posterior al colapso de las estructuras de
regulación con el evento ocurrido en el 2008, éstas
fueron reconstruidas por la administración municipal
en 2009. Su reconstrucción se llevó a cabo
siguiendo un arreglo semejante al que tenían previo
a la falla (vertedor y desfogue de fondo), y
solamente se incluyó una capa de material de boleo
distribuida a la salida de la rampa de descarga.
Figura 1. Imagen satelital de las estructuras principales de
la Zona VIII El Barreal (Fuente: Google Earth, modificada
por el autor).
Figura 2. Colapso de losa por erosión
El segundo evento fue registrado en julio de 2008,
cuando la capacidad de las estructuras de
regulación se vio nuevamente rebasada, esta vez
provocando el colapso de cuatro de ellas: Charly II,
Km 28 y Santa Elena I y II. El colapso de la
estructura Km 28 se debió a una ruptura en uno de
los extremos de la cortina, mientras que la falla en
las estructuras Charly II y Santa Elena I y II se debió
a una fisura en la cortina ocasionada por la
socavación de la losa del vertedor (de concreto en el
caso de Charly I y Santa Elena II y de mampostería
en el caso de Santa Elena I). Al presentarse la
erosión hídrica en el suelo sobre el que estaban
desplantadas las losas, éstas colapsaron (Figura 2).
Cabe señalar que la falla del bordo Santa Elena II se
debió también al colapso mismo del bordo Santa
Elena I, ubicado aguas arriba del primero.
Los desarrollos habitacionales localizados aguas
abajo de la cuenca, en 2006 se vieron afectados
debido a la gran cantidad de agua escurrida
proveniente de toda la cuenca. Estos desarrollos
permanecieron inundados durante varios días,
debido
también
a
la
prácticamente
nula
Esta capa de boleos se consideró para evitar la
erosión debajo de la losa del vertedor, sin embargo
no existe un análisis que demuestre su efectividad
por lo que permanece latente el riesgo de que en un
evento de lluvias extraordinario, el suelo de soporte
de los vertedores se erosione y estos fallen de
nuevo como ocurrió en 2008 en tres de las
estructuras de la zona “El Barreal”: Santa Elena I y II
y Charly II.
El mitigar o anular el riesgo de un nuevo colapso
de las estructuras de regulación, representa una
disminución en los riesgos a que se ve expuesta la
población asentada aguas abajo de dichas obras
hidráulicas, lo que significa una mejoría en la calidad
de vida de más de 6,000 habitantes de la ciudad
(INEGI, 2010). Para evaluar dicho riesgo, es
necesario conocer el comportamiento de la
estructura operando bajo las condiciones actuales y
así mismo evaluar un método alternativo que alivie el
problema de erosión para la proteger las estructuras
de regulación.
Realizar este tipo de análisis por métodos
numéricos es complicado, dado la gran cantidad de
elementos y variables que intervienen en el
comportamiento de éste tipo de estructuras. Sin
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TORRES S. et al.
2 METODOLOGÍA
2.1 Construcción del modelo
El primer paso para la elaboración del modelo
fue la selección de la escala a la que éste sería
elaborado. Dado que el modelo fue construido
dentro de un equipo de simulación hidrológica con
medidas predeterminadas, se seleccionó una escala
con la cual fuera posible construir la porción de la
estructura de regulación que se deseaba analizar.
La escala seleccionada fue 1:20. Como criterio de
trabajo, se consideró construir únicamente la
representación a escala de la porción de la cortina
ocupada por el vertedor de demasías y el desfogue
de fondo, en sentido transversal al flujo, mientras
que en sentido longitudinal, la representación a
escala se limitó al tramo comprendido entre la salida
del desfogue de fondo y el límite de las rocas
ubicadas después de la rampa de concreto.
Los materiales a recrear de las condiciones
actuales en el modelo fueron, por una parte los de la
estructura en condiciones actuales, consistentes en
materiales pétreos (boleo que conforma una capa
extendida superficialmente contigua a la descarga
de la rampa de concreto), el material del que está
construida la cortina, el que compone el suelo del
lugar y el concreto de la rampa de descarga. Por
otro lado, los materiales recreados para las
condiciones de propuesta fueron los pétreos
utilizados para la conformación de los gaviones, los
materiales granulares de los que están compuestos
el suelo y la cortina, y el concreto del que está
fabricada la rampa.
Los materiales granulares involucrados en el
estudio son el suelo del lugar y el material que
conforma la cortina del dique. A ambos materiales
les fue realizada una granulometría, a fin de conocer
la distribución de tamaños de las partículas que los
conforman. Una vez que se tuvo la distribución
granulométrica de los materiales a escala, se
elaboró para cada uno de ellos una curva
granulométrica con la misma distribución de
porcentajes, pero con tamaños correspondientes a la
escala que se utilizó para la elaboración del modelo.
Con esta información se elaboró una nueva curva
granulométrica de los materiales a escala (Figuras 3
y 4). Estas gráficas se utilizaron para preparar el
suelo y el material granular de la cortina a escala
para recrearlos en el modelo.
Del mismo modo que con los materiales
granulares, con los pétreos se buscó una similitud
geométrica. En el caso del boleo existente en el
dique, se determinó en campo que el tamaño
máximo y mínimo era de 50cm y 10cm
respectivamente, lo que correspondió a la escala
empleada en el modelo a dimensiones de 2.5cm y
0.50cm. Por lo tanto, para el material que compone
la capa superficial extendida de boleo se utilizó
grava con tamaño máximo de 2.5cm y mínimo de
0.475cm.
Granulometría del suelo
120.00%
100.00%
Granulometría
real
80.00%
60.00%
40.00%
Granulometría
a escala (1:20)
20.00%
0.00%
100
10
1
0.1
Tamaño (mm)
0.01
0.001
Figura 3. Granulometría del suelo real y a escala.
Granulometría de cortina
100%
90%
80%
Granulometría
real
70%
60%
% pasa
embargo, realizar el análisis mediante un modelo
físico reducido permitiría apreciar de manera más
apegada a la realidad el fenómeno de erosión.
De este modo, el objetivo de presente estudio es
evaluar, mediante el uso de un Modelo Físico
Reducido (MFR), el empleo de gaviones como un
método alternativo de protección en estructuras de
regulación, aplicado al caso de la estructura “Santa
Elena II”, en Ciudad Juárez, Chihuahua. Los
gaviones forman parte de una estructura colocada
posterior a la cortina con la finalidad de disipar la
energía de los escurrimientos y con ello reducir o
mitigar la socavación del talud menor. El análisis a
través del MFR representa las condiciones de
operación, tanto en su estado actual, con una capa
de boleo, como del prototipo con las adecuaciones
propuestas (gaviones).
3
50%
Granulometría a
escala (1:20)
40%
30%
20%
10%
0%
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Tamaño (mm)
Figura 4. Granulometría de la cortina real y a escala.
Para el material destinado al relleno de los
gaviones, se siguieron indicaciones proporcionadas
por fabricantes de este tipo de elementos
constructivos, las cuales mencionan que el gavión
debe ser rellenado con boleo o roca fracturada con
tamaño en el rango de 10cm mínimo y 20cm máximo
(Maccaferri, 2010). Ajustando estas dimensiones a
la escala del modelo, se utilizó material que pasó por
la malla 3/8” pero que fue retenido por la malla #4,
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2.2 Operación del modelo
El modelo fue ensayado en dos fases diferentes.
La primera consistió en el ensaye representando las
condiciones actuales, es decir, con la cama de boleo
a la salida de la rampa. El espesor empleado para
la capa de boleo fue un 1m en su respectiva escala.
La simulación de la otra fase de ensaye fue aquella
en la cual el modelo contaba con gaviones. Para
esto se sustituyó la capa de boleo con un colchón de
gavión de igual superficie en planta y de igual
espesor tal como se muestra en la Figura 7.
Q salida modelo (lpm)
4/29/2011 0:00
4/28/2011 0:00
4/27/2011 0:00
4/26/2011 0:00
4/25/2011 0:00
4/24/2011 0:00
4/23/2011 0:00
4/22/2011 0:00
4/21/2011 0:00
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
4/20/2011 0:00
compuesto por grava pequeña o “gravilla”. Una vez
recopilado este material se procedió a lavarlo, a fin
de eliminar el exceso del polvo que se genera al
momento del triturado.
Para el caso de la selección del material que
representara al concreto del que está construida la
rampa de descarga en el modelo, fue necesario
seleccionar un material cuyo coeficiente de
rugosidad “n” de Manning ayude a cumplir la
condición de λn = λ1/6 de acuerdo con el principio de
semejanza de Froude (Martín, 2003), con lo que se
establece que la rugosidad debe ser ajustada a
1:201/6, es decir, a una escala de 1:1.65. Puesto que
el coeficiente estimado de la rampa real del prototipo
está construida con concreto sin acabado, cuyo
coeficiente de rugosidad se estima en 0.017 (Mott,
1996), el coeficiente de rugosidad correspondiente
de acuerdo a la escala fue de 0.010, el cual se
asigna a superficies lisas. Por esta razón, se optó
por construir la rampa con material acrílico liso el
cual cuenta con un coeficiente similar. La figura 5
muestra el modelo en condiciones actuales con los
materiales seleccionados.
Gasto (lpm)
4
Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como
Método de
Protección de Estructuras Hidráulicas de Regulación: Caso Santa
Elena II
Tiempo (m/d/a hh:mm)
Figura 6. Hidrograma elaborado para la ejecución del
modelo.
Figura 5. MFR de condiciones actuales.
Para la estimación del flujo con el que operaría
el modelo, se elaboró un análisis hidrológico
utilizando datos de precipitación y criterios de
análisis establecidos por el PSMAP de Ciudad
Juárez. El análisis fue elaborado para simular la
precipitación total promedio de un año. Los gastos
obtenidos en el estudio hidrológico fueron ajustados
a la escala del modelo de acuerdo con la semejanza
de Froude, que establece que la relación de gasto
es λQ = λ5/2. La Figura 6 muestra el hidrograma
elaborado para la ejecución del modelo.
Figura 7. MFR considerando gaviones
Durante la operación de ambos modelos se llevó
a cabo una monitoreo continuo para registrar la
socavación a lo largo del tiempo de operación de
cada modelo.
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5
TORRES S. et al.
3 RESULTADOS
La socavación registrada correspondió a la de
mayor longitud, la cual se presentó en dirección
perpendicular al borde de la rampa. Las tablas 1 y 2
muestran los resultados obtenidos para los modelos
en condiciones actuales y en condiciones
modificadas respectivamente.
cada uno de los casos representados mediante los
modelos durante el tiempo que estuvieron expuestos
al flujo. Se puede observar que la socavación
promedio manifestada en el escenario con gaviones
representó solo el 26% de la socavación total que se
presentó con las condiciones actuales.
Tabla 1. Registro de socavación en condiciones actuales.
Tiempo (horas)
Socavación mayor (mm)
24
35.0
48
42.0
72
45.0
120
50.0
144
55.0
168
59.0
Tabla 2. Registro
modificadas.
Tiempo (horas)
de
socavación
en
condiciones
Socavación mayor (mm)
24
9.0
48
10.0
72
12.0
120
14.0
144
15.0
168
16.0
4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Los resultados de socavación de los dos ejercicios
fueron comparados de manera gráfica y numérica.
Con el apoyo de fotografías se elaboraron los
diagramas de las huellas de socavación total para
cada uno de los escenarios. La figura 8 muestra la
sobreposición de los diagramas de socavación
monitoreados de ambos ejercicios, con la intención
de hacer una comparación visual de la socavación
en cada uno de los casos. Cabe aclarar que la línea
cercana al borde de la rampa corresponde a la
huella de socavación del escenario de los gaviones.
La imagen muestra como durante el mismo periodo
de tiempo y flujo, el empleo de gaviones genera una
huella de socavación menor que la generada con el
empleo de una capa de boleos. Además se puede
observar que la socavación no se presenta de
manera simétrica, contrario a lo esperado bajo un
análisis numérico.
Respecto a la socavación perpendicular al borde de
la rampa, la tabla 3 muestra la comparación de la de
Figura 8. Diagramas de huellas de socavación
Tabla 3. Registro comparativo de socavación
24
Socavación
condiciones
actuales(cm)
3.5
Socavación
condiciones
propuestas(cm)
0.9
48
4.2
1.0
24%
72
4.5
1.2
27%
120
5.0
1.4
28%
144
5.5
1.5
27%
168
5.9
1.6
27%
Tiempo
(horas)
Comparación
proporcional
26%
La Figura 9 muestra la gráfica del progreso
comparativo de socavación para ambos casos. De
esta grafica se observa que el patrón de
comportamiento de socavación con respecto al
tiempo es semejante en ambos casos. Durante las
primeras 24 horas de flujo la socavación tuvo una
velocidad alta y posterior a este periodo su velocidad
bajó considerablemente. Esto indica la certidumbre
de que ambos modelos representaron de manera
correcta las condiciones de operación de la
estructura de regulación y que la diferencia de
socavación, en la cual la opción de gaviones fue
menor, se debió de manera directa al desempeño de
los elementos y características específicas de cada
una de las opciones empleadas en la evaluación.
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Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como
Método de
Protección de Estructuras Hidráulicas de Regulación: Caso Santa
Elena II
Socavación (cm)
Progreso de la socavación
7
6
5
4
3
2
1
0
Condiciones
actuales
Condiciones
de propuesta
0
50
100
150
200
Tiempo de simulación (horas)
Figura 9. Gráfica de socavación con respecto al tiempo.
5 CONCLUSIONES
La investigación muestra la posibilidad de emplear
MFR´s para evaluar escenarios donde métodos
numéricos se ven limitados a representar flujo
hidráulico en obras hidráulicas donde intervienen
múltiples características de los elementos que la
componen y sus diversas variaciones tal como el
caso analizado donde se evaluaron dos variaciones
como medida de protección a la socavación de la
estructura.
De acuerdo con lo mostrado por los MFR’s, la
socavación fue menor al incorporar una capa
gaviones distribuidos a la salida de la rampa de
descarga de la estructura.
De este modo, el empleo de MFR’s muestran ser
una herramienta para evaluar escenarios de
socavación proporcionando una sencilla y directa
interpretación de resultados que permita valorar el
impacto del uso de las alternativas comparadas lo
cual proporciona elementos adecuados para que los
organismos o entidades administradoras de estas
estructuras, tomen las decisiones adecuadas para
eliminar riesgos de falla de operación de la
estructura..
6 REFERENCIAS
IMIP (2004). “Plan Sectorial de Manejo de Agua
Pluvial”, No publicado.
Martin J. P. (2003). “Ingeniería de ríos”, Alfaomega:
México, D.F.
Mott R. L. (1996). “Mecánica de fluidos aplicada”,
Prentice Hall Hispanoamérica: México.
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