Modelacion Quebrada La Iguana

8/17/2019 Modelacion Quebrada La Iguana

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HIDRAULICA DE CANALES

MODELACION EN HEC-RAS DE LA QUEBRADA LA IGUANÁ

DANIEL MARIN MONTOYA

JORGE ELIECER TRIANA ORDOÑEZ

PROFESOR:JULIO EDUARDO CAÑON BARRIGA

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA AMBIENTALMEDELLÍN

FEBRERO 2015


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INTRODUCCION

En el siguiente informe se realiza un estudio hidráulico de un tramo deaproximadamente 600 m de la quebrada la Iguaná ubicada en la zona occidentaldel Valle de Aburrá en la ladera oriental, La quebrada tiene una longitud de 15 km,y nace en la cota 2950 en las estribaciones del Alto de las Repetidoras, despuésde recorrer en la dirección sur-este un tramo aproximado de 5.6 km. cambia dedirección norte-este hasta su desembocadura al río Medellín, en la cota 1453.

El Hidrologic Engineering Center (HEC) en Davis, California creó un Sistema deAnálisis de Ríos (River Analysis System) RAS para ayudar en el análisis de flujo encanales y en el control de inundaciones. Las características técnicas del HEC-RASson: calculo hidráulico de estructuras, visualización grafica de datos y resultados,edición grafica de secciones.

El objetivo principal es realizar una modelación con el software antesmencionado (HEC-RAS) a partir de características propias de la quebrada, para

poder establecer el comportamiento de su flujo y como podría ser sucomportamiento en el futuro. Además se puede predecir como seria su reacciónfrente a fenómenos hidráulicos o hidrológicos ya sea a corto o largo plazo, estoes posible poniendo en práctica los conceptos teóricos adquiridos en el curso deHidráulica de canales.

OBJETIVO GENERAL

Realizar una modelación hidráulica de la quebrada la iguana con las condicionesexistentes del canal y analizar los resultados obtenidos a corto, mediano y largoplazo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer el modelo numérico HEC-RAS y aplicarlo en la modelaciónhidráulica de la Quebrada La Iguaná.

Estudiar y diseñar las estructuras hidráulicas encontradas en la quebrada,cómo estas afectan el comportamiento del flujo, y que se podría plantearpara mejorar las condiciones existentes.

Analizar los resultados obtenidos en la modelación de la quebrada La

Iguaná con su respectivo estudio comparativo.


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LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DELTRAMO.

La cuenca de la quebrada La Iguaná,está ubicada en la zona occidentaldel Valle de Aburrá. Limita al nortecon la cuenca de la quebradaMalapaso, al Nor-occidente con lacuchilla las Baldías, que la separa dela quebrada El Hato del Municipio deBello, al occidente con la divisoria deaguas de la Cordillera El Frisol y laquebrada La Frisola hasta el cerro delPadre Amaya, al sur-occidente con elalto El Astillero y la cuchilla Los

Arrayanes, por el sur limita con lacuenca de la quebrada La Hueso y aloriente con el río Medellín.

La cuenca cuenta con un área de46.25 km2, correspondiéndole a lazona urbana 7.52 km2 y a la rural38.73 km2

Paisajísticamente la cuenca conformaun cañón amplio y profundo que sedesprende desde los cerros Padre

Amaya y el Boquerón.

Socio-económicamente esta cuencatiene un desarrollo bien contrastado,por un lado la parte urbana de lacuidad, ha ido avanzando einvadiendo toda la parte baja de lacuenca. Por otro lado en la zonarural se ha desarrollado elcorregimiento de San Cristóbal el cualha generado un pequeño cascourbano con múltiples servicios ynecesidades en medio de unaimportante zona rural, en la cual laactividad principal es la agricultura.

En el tramo escogido la quebrada laIguaná presenta dos pequeñosdisipadores de energía separadosuna distancia de 50 m

aproximadamente en el inicio deltramo aguas arriba deltramo(fotografías 1 y 2). Ademáscruza con dos puentes, el primero deellos en la carrera 74 (Fotografía 3) y

el otro finalizando el tramo aguasabajo en la carrera 70 (Fotografía 4).

La mayor parte del tramo de estudioes un canal natural con buenaprotección vegetal compuesta porgrama y árboles, con presencia demuros de contención en concreto enla margen derecha aguas arriba delpuente de la carrera 70 y muros decontención en concreto sobre ambasmárgenes aguas abajo de este

puente.La quebrada muestra procesos dedepositacion de sedimentos a lo largodel tramo que han sido transportadospor el agua en periodos de reduccióndel caudal; se encuentran tambiénbasuras y escombros.

Fotografía 1. Primer disipador de energía


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Fotografía 2. Segundo disipador de energía.

Fotografía 3. Puente carrera 74

Fotografía 4. Puente carrera 70

METODOLOGÍA

A partir de la información topográficae hidrológica obtenida de estudiosrealizados con anterioridad seevaluaron las condiciones delrégimen hidráulico que controlan el

flujo de la corriente en lascondiciones actuales, determinandolos perfiles de flujo y las demásvariables hidráulicas que sepresentan en el canal natural como la

velocidad media, la profundidad delflujo, el área mojada, el perímetromojado, el tirante, régimen del flujo,entre otros.La evaluación hidráulica se efectuóutilizando el software HEC-RAS delCuerpo de Ingenieros de la Armada delos Estados Unidos, donde secalcularon los perfiles de flujo paralos caudales asociados a los períodosde retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y100 años para esta quebrada.

El HEC-RAS es un modelo hidráulicoque permite calcular los niveles de lasuperficie del agua bajo condicionesde flujo permanente, no permanentey gradualmente variado. Esteprograma también calcula lascondiciones de flujo para regímenesde flujo subcrítico y supercrítico ocuando se presentan ambos.Igualmente, el programa, presentatambién opciones de cálculo para lasimulación de diferentes estructurashidráulicas como puentes, Box -Culvert y vertederos.

HEC-RAS requiere datos de entradacomo la geometría del canal, elcaudal, los valores de loscoeficientes de pérdidas y lascondiciones de frontera para elcálculo de acuerdo con el régimen deflujo y los controles existentes en eltramo.

ESTUDIO HIDRÁULICO

Para la modelación hidráulica esnecesario tener la geometría de loscanales en una longitud dada, que


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permita evaluar los perfiles de flujopara los diferentes caudalesasociados a los diversos periodos deretorno.

Con esta información, los resultadosdel estudio hidrológico, se simuló eltránsito de la corriente por el tramoque comprende la zona de estudio.Las condiciones de frontera delsistema se definieron con base en lascaracterísticas de la quebrada y conbase en ello se simuló el tránsito dela corriente.

Para efectos del presente estudio setomaron coeficientes de expansión ycontracción de 0,10 y 0,30respectivamente, y para loscoeficientes de Manning se usaron losvalores de 0.033 para las zonas conexistencia de vegetación y depósitosde materiales y un valor de 0.012para las zonas con presencia deconcreto.

ESTUDIO HIDROLOGICO

Con el fin de realizar una completamodelación hidráulica, se lleva acabo un análisis del caudalconsiderado típico, además de loscaudales estimados críticos para eltramo estudiado obteniendo así uncaudal de diseño para este. Se basoen estudios ya realizados sobre eltramo estudiado, en los cualesutilizaron los siguientes modelos:

Clark Snyder SCS Racional

Para hallar los caudales paradiferentes periodos de retorno secalculó el tercer cuartil de loscaudales máximos obtenidos en losmodelos Clark, SCS y Racional (vertabla1); ignorando los valores delmodelo Snyder, ya que arrojabavalores muy por debajo de los demásvalores para cada recurrencia.Encontrando así los caudalesmáximos para el tramo estudiado con

cierto valor de seguridad para lasobras proyectadas (ver tabla 2).

Tabla 1. Caudales de diseño para diferentes periodos de retorno

Periodo de retorno(años)

Caudal ⁄

2,33 191.95 254.510 310.320 366.325 38550 439.5100 500.7

Tabla 1. Caudales máximos calculados

2,33 5 10 25 50 100

Clark 173,9 238,5 298,48 377,76 438,08 498,94

Snyder 121,42 168,08 210,12 268,04 312,05 355,56

SCS 174,61 241,38 301,41 382,32 443,89 505,98

MODELO

TR (AÑOS)

Q (m³/s)


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PROCEDIMIENTO

Para el análisis de flujo en canales,en este caso el comportamiento del

flujo de la quebrada la Iguaná, en elprograma HEC-RAS se crearon 38secciones, dentro de las cualesexisten dos casos en que fueronnecesarias obras hidráulicas para lascuales cambian el comportamientodel agua. A continuación se muestranlas secciones más representativas:

Todas las secciones tienden a sertrapezoidales y de las que semostraron anteriormente se calculóla pendiente promedio del canal

obteniendo como resultado un valorde 0,66%. También se pudo ver quelos n equivalentes usados son 0,012 y0,033 ya que habían partes del canalen terreno natural y otras enconcreto.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Luego de establecer en HEC-RAS losdatos correspondientes a lascondiciones geométricas y de loscaudales para el tramo de laquebrada La Iguaná, se pasó a correrel programa para así computar ypermitir obtener resultadosrelacionados al flujo como suvelocidad, su régimen, perfil entreotros.

A continuación se muestran losresultados para los caudalesasociados a los períodos de retorno

de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 añospara la quebrada la Iguaná, en lasfigura 1 y 2 se pueden observar losperfiles.


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Figura 1. Perfil de flujo

Se puede observar de los resultadosobtenidos de la modelación, que lasestructuras presentes en el tramoestán en buenas condiciones y quepueden suplir caudales mayores a lostípicos.

Figura 2. Modelo tridimensionaal

En la figura 2 se presenta de los

resultados dados por el programa Hec-Ras la forma tridimensional el flujo de la

superficie libre bajo las condiciones

establecidas.

Hec-Ras adicionalmente proporciona

datos en tablas que permiten visualizar

los parámetros del flujo para cada una de

las estaciones ingresadas, en estas tablas

se describen parámetros como la

velocidad, el área, el número de Froude,

entre otros.


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De la tabla 1 se puede observar quela velocidad de flujo va aumentandoal igual que aumenta el área de lasección transversal a medida queaumenta el tiempo de retorno, el

cambio en las velocidad de secciónen sección puede estar dado por loque hay zonas donde hay menorpendiente que en otras zonas ytambién existen zonas donde sepresentan represamientos lo quegenera una disminución en lavelocidad.

Según lo modelado en gran parte deltramo el flujo tiene uncomportamiento supercritico segúnlo refleja el valor de froude peroexisten zonas donde el flujo tiene uncomportamiento critico ya que elfroude alcanza un valor de 1 según seobserva en la tabla 1.

La construcción de un puente implicaen ocasiones que se invade parte delcauce como es el caso de los puentes

de la carrera 74 y 70, por lo quegeneran un estrechamiento en lasección transversal del cauce por loque se evidencian cambios en lavelocidad del flujo como se observaen la tabla 1.

El principal problema que causadesbordamientos en una quebrada eninvierno esta dado por las basuras yescombros que la ciudadanía y

algunos constructores lanzan tanto alas riberas como a los cauces, ycuando el flujo aumenta sonarrastrados los desechos que seencuentran en las orillas y seacumulan en las bases de lospuentes, lo cual causa

desbordamientos, según los perfilesencontrados para los 7 diferentesperiodos de retorno para la quebradala Iguaná se evidencia que no hay ungran incremento en el flujo como

para conllevar a un desbordamiento,eso se puede deber a que en estazona de la quebrada se ha hecho unaintervención de remoción desedimentos y escombros, y que ahorase ha destinando una zona especialpara depositar estos escombros y lasautoridades competentes han hechounas buenas campañas para atenderlos diferentes requerimientos de la

ciudadanía en este sector, y lamisma ciudadanía se haconcientizado en no tirar basuras a laquebrada.

CONCLUSIONES

Para una planificacióngeotécnica e hidráulica sonmuy útiles los resultados

obtenidos de la modelación enel programa HEC-RAS(caudales, nivelesvelocidades, entre otros) paradiferentes periodos deretorno, ya que al analizarlosse podría disminuir los costosasociados a la ocurrencia deeventos hidrológicos externosy la respuesta de la quebradacomo consecuencia de estos.

Los datos obtenidos de lamodelación al analizar endiferentes tramosrepresentativos, indican queel régimen de flujo de laQuebrada la Iguaná es


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supercrítico, ya que laprofundidad normal no superala profundidad crítica, siendoesta la condición másnecesaria para que el

comportamiento del flujo seael obtenido. Esto se logra alintroducir las característicasrepresentativas de variassecciones en la programaciónrealizada durante el curso deHidráulica de Canales.

Al realizar este ejercicio, se

evidencia la importancia quetiene una apropiadamodelación hidráulica en elmomento de hacer un estudiotanto académico comoinvestigativo, ya que esto esun procedimiento completoque brinda alternativasminimizando al máximo laslimitaciones de calidad y

cantidad de la informacióndisponible.

BIBLIOGRAFÍA

ALCALDÍA DE MEDELLÍN,SECRETARÍA DEL MEDIO

AMBIENTE (2006). Elaboraciónde los estudios y diseños parala solución hidráulica,estructural y geotécnica parala intervención en lasquebradas de la ciudad deMedellín. Tomo III QuebradaLa Iguaná, Medellín.

NANÍA, Leonardo S. y MOLERO, Emilio(2007). Manual Básico de HEC-RAS3.1.3 y HEC-GeoRAS 3.1.1.Universidad de Granada, Área de

Ingeniería Hidráulica, Área deUrbanismo y Ordenación delTerritorio.

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