ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC PDF

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ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) TAPA SOBRE ESCALÓN a 1.5a TAPA SOBRE RÁPIDA 2a a a CALÓN a .28a 1.5a DEFLECTOR .35a 45º a TAPA SOBRE ESCALÓN 5a 1.5a TAPA SOBRE RÁPIDA FERNAND...

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ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)

TAPA SOBRE ESCALÓN a

1.5a

TAPA SOBRE RÁPIDA 2a

1.5a

DEFLECTOR

.3 5a

a

.28a

a

a

45º

a

TAPA SOBRE ESCALÓN

5a

FERNANDO MEJÍA FERNÁNDEZ,

1 .5a

TAPA SOBRE RÁPIDA 2a

1.5a

.3 5 a

.28a

a

a

a

DEFLECTOR

I. Civil, M. Sc. en Recursos Hidráulicos Profesor Asociado,

a

a

a

Departamento de Ingeniería Civil

.28a

CALÓN

1.5a

D ETALLE COLUMPI O PERFI L, ESC. 1 : 5 PE RFI L

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

1

EQUIPO INVESTIGADOR (1977-2003)

Jorge Ramírez Giraldo, Ingeniero Civil, Profesor Investigador Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales y Consultor privado (fallecido). Maestro y líder. Diseñador del Canal de Pantallas Deflectoras. Fernando Mejía Fernández, Ingeniero Civil, Magíster en Recursos Hidráulicos, Profesor Investigador Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Diseñador del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Jorge Hernán Estrada Estrada, Ingeniero Electrónico, Profesor Investigador Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Eduardo Andrés Brand Ruiz, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniero Civil. Robinsón Ramírez Hernández, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniero Civil. Jackelline González Blandón, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil. Claudia M. González Blandón, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil. Merlyn J. Riascos Delgado, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil. Ana María Lucero Carvajal, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil. Liliana Romo Melo, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Electrónica.

2

TABLA DE CONTENIDO 1.

PRESENTACIÓN............................................................................................. 8

2.

JUSTIFICACIÓN............................................................................................ 10

3.

ANTECEDENTES .......................................................................................... 12

4.

LA EROSIÓN................................................................................................. 17

4.1

INTRODUCCIÓN........................................................................................ 17

4.2

DEFINICIONES .......................................................................................... 17

4.3

CONTROL DE LA EROSIÓN HÍDRICA ...................................................... 19

5.

ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS ......................................... 21

5.1

RÁPIDAS LISAS ......................................................................................... 21

5.2

RÁPIDAS ESCALONADAS ........................................................................ 23

5.3

COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS .......................... 25

5.3.1

Canal de Pantallas Deflectoras (CPD). .............................................. 26

5.3.2

Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) ............................... 28

6.

NORMAS DE DISEÑO DEL CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS

(CPD) Y DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)............ 33 6.1

DISEÑO DE UN CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD)............ 33

6.1.1

Alternativa 1: Diseño original del CPD................................................. 33

6.1.2

Alternativa 2: Diseño optimizado del CPD........................................... 37

6.2

DISEÑO DE UN CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) 39

6.3

DISEÑO DE UN CPD QUE ENTREGA A UN CRTC. .................................. 43

6.4

DISEÑO DE UN CRTC QUE ENTREGA A UN CPD. .................................. 44

7.

CONCLUSIONES .......................................................................................... 47

8.

ALGUNAS RECOMENDACIONES ............................................................... 49

8.1

DE DISEÑO: ............................................................................................... 49

8.2

DE CONSTRUCCIÓN:................................................................................ 50

3

9.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 51

APÉNDICE I ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO COMO OBRAS DE DESCOLE. DERIVACIÓN HACIA HUMEDALES..................................................................... 53 APÉNDICE II REBOSADEROS DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (R.R.T.C.) .............................................................................................................. 78

4

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1. Rápida escalonada con vertedero y pantalla......................................... 25 Figura 2. Canal de pantallas deflectoras. Diseño geométrico original. ................. 26 Figura 3. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico. .............. 30 Figura 4. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Detalle del Escalón (Columpio). .............................................................................................................................. 31 Figura 5. Refuerzo estructural sugerido para el CPD original............................... 35 Figura 6. Canal de pantallas deflectoras, diseño optimizado. Diseño geométrico y refuerzo estructural sugerido................................................................................. 38 Figura 7. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico y refuerzo estructural sugerido. .............................................................................................. 41 Figura 8. Transición entre un CRTC y un CPD. Diseño geométrico y refuerzo estructural sugerido. .............................................................................................. 45

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LISTADO DE FOTOGRAFÍAS

Fotografía 1. Manizales – Caldas, Colombia. Avalancha ocasionada por deslizamientos de laderas producto de un fuerte aguacero. 15 de Noviembre de 2008. ..................................................................................................................... 11 Fotografía 2. Modelo hidráulico del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC). (Fase 3)................................................................................................... 15 Fotografía 3. Modelo hidráulico del Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y de la transición con el Canal de Rápida con Tapa y Columpio (CRTC). (Fase 5). ........ 16 Fotografía 4. Cárcava El Pañuelo. Ibagué – Tolima, Colombia............................ 18 Fotografía 5. Disipadores de energía naturales en un río. ................................... 20 Fotografía 6. Disipadores de energía artificiales. Diques escalonados construidos en Villa Luz. Manizales - Caldas, Colombia. ......................................................... 20 Fotografía 7. Canal de rápidas lisas..................................................................... 22 Fotografía 8. Canal de rápidas escalonadas........................................................ 24 Fotografía 9. Canal de Pantallas Deflectoras....................................................... 27 Fotografía 10. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC). ........................ 32 Fotografía 11. Combinación de CRTC y CPD...................................................... 32 Fotografía 12. Funcionamiento del CPD con la transición, sin las dos primeras pantallas y sin la Tapa CPD. ................................................................................. 46 Fotografía 13. Canal de Pantallas Deflectoras con la transición, optimizado (sin las dos primeras pantallas y con la Tapa CPD)..................................................... 46 Fotografía 14. Canal de Rápidas con Tapa (CRT)............................................... 49 Fotografía 15. Detalle de la ranura transversal en el centro del labio del deflector a la salida del columpio del CRTC. .......................................................................... 50

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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Velocidades máximas permisibles en rápidas lisas. ............................... 23

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1. PRESENTACIÓN

Este libro ofrece al lector un elemento básico de gran utilidad para el diseño de dos estructuras de vertimiento de aguas de escorrentía en laderas de media a fuerte pendiente (asociadas frecuentemente con obras de estabilidad de laderas y control de erosión), el CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (identificado comúnmente con las iníciales CPD) y el CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (identificado comúnmente con las iníciales CRTC), complementarios entre sí y fruto de investigaciones realizadas en la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales desde fines de la década de los 70 del siglo pasado, en distintos períodos, con el apoyo en varias de ellas de la Corporación Regional Autónoma para la defensa de Manizales, Salamina y Aranzazu, CRAMSA, inicialmente, y la Corporación Autónoma Regional de Caldas, CORPOCALDAS, posteriormente. Debe recordarse que la segunda sustituyó a la primera después de promulgada la Constitución del 91.

Además de mostrar las estructuras tradicionales que se han construido a través de los años, se incorporan nuevos elementos al diseño, producto de estudios realizados más recientemente (2001 – 2003) mediante la modelación hidráulica y el análisis de las patologías encontradas en las estructuras existentes.

Si bien los primeros esfuerzos por diseñar estas estructuras fueron realizados por profesores de manera casi individual, en el curso de las investigaciones más recientes llevadas a cabo en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales se contó con un equipo humano más amplio en el que participaron profesores, ingenieros altamente calificados (civiles, electrónicos) y estudiantes en calidad de auxiliares de investigación.

8

Es, pues, nuestro objetivo primordial dejar al alcance de todos (especialmente ingenieros diseñadores, consultores, constructores, profesores y estudiantes universitarios) una herramienta propicia para el uso de este tipo de estructuras, con diseños que optimizan su capacidad hidráulica, facilitan sus procesos constructivos y aumentan su vida útil.

Por último, con este libro se quiere rendir un sentido homenaje al profesor e insigne Ingeniero Jorge Ramírez Giraldo, como maestro y pionero en estos diseños en la región.

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2. JUSTIFICACIÓN

La región del centro occidente colombiano, enclavada en la zona andina, se caracteriza por el predominio de un paisaje montañoso, de abrupta topografía y laderas muy empinadas, desde las cuales escurre el agua proveniente de generosas pero frecuentemente tormentosas lluvias.

Si bien esto garantiza abundantes fuentes de agua, la actividad antrópica, como la construcción de ciudades coronando las montañas, la construcción de vías de media ladera, la deforestación, las malas prácticas de siembra, el inadecuado manejo de aguas superficiales y de infiltración, la falta de control de los torrentes, entre otras, afecta el ciclo del agua y desencadena procesos erosivos que, si no se enfrentan adecuadamente, generan otros como deslizamientos, avalanchas, daños en infraestructuras, sedimentos en los sistemas de drenaje, pérdidas económicas y, lo que es más grave, pérdida de vidas.

La historia de esta región registra muchos eventos trágicos relacionados con lo anterior (Manizales puede dar fe de esto, como se muestra en la Fotografía 1), altamente perjudiciales para las comunidades más vulnerables y que han obligado a las autoridades municipales, departamentales y regionales a tomar medidas de emergencia con gran impacto negativo en lo social, lo económico y lo institucional.

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Fotografía 1. Manizales – Caldas, Colombia. Avalancha ocasionada por deslizamientos de laderas producto de un fuerte aguacero. 15 de Noviembre de 2008.

Todo lo anterior amerita el diseño y construcción de obras hidráulicas adecuadas, tales como estructuras de vertimiento que recojan, conduzcan y manejen el agua que escurre por las laderas de nuestras montañas, disipando su energía y previniendo la erosión.

Tal diseño se realiza comúnmente a partir de investigaciones y estudios sobre modelos físicos hidráulicos, algunos de cuyos resultados constituyen la base de este libro.

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3. ANTECEDENTES

Haciendo una breve reseña de estas investigaciones se tiene: ƒ

En el año de 1978, el Ingeniero Jorge Ramírez Giraldo (fallecido), con plena conciencia de la urgente necesidad de disponer de las estructuras de vertimiento

mencionadas

atrás,

diseñó

el

denominado

CANAL

DE

PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) a partir de estudios sobre modelos físicos hidráulicos hechos en Manizales en un “Laboratorio de hidráulica” improvisado en las instalaciones de la Industria Licorera de Caldas. Tales condiciones no permitieron que estos estudios se hicieran sobre modelos diseñados a escalas deseadas (es decir, poco reducidas, que atenuaran los efectos de escala y condujeran a resultados más confiables), pero sí sobre modelos hechos en madera y operados para distintos caudales y distintas pendientes, hasta establecer -a partir de las conocidas en la mecánica de los fluidos como las leyes de similitud de Froude, que rigen el comportamiento de flujos a superficie libre y en los cuales priman las fuerzas de gravedad- la geometría del canal y sus dimensiones en función del caudal de diseño del mismo, así como las relaciones entre esas dimensiones y las velocidades que se desarrollan en el canal para pendientes variables entre el 10% y el 50%. Se obtuvo finalmente así el denominado en el numeral 6.1.1 de este libro Diseño original del CPD.

Los resultados de su investigación se conocieron inicialmente en la revista de Vías, Transporte y Geotecnia, Boletín de Vías, No. 37, de enero – marzo de 1978, publicación de amplia trayectoria de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.

Constituye ésta, con fines secuenciales, la fase 1 de todo el proceso.

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ƒ

En 1980, la fase 2 correspondió al diseño -por la vía de otra investigación en modelos físicos hidráulicos realizada en Bogotá en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia- del denominado CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC), obtenido por el autor de este libro como una alternativa para el diseño de estructuras de vertimiento de aguas en laderas de pendientes medias a fuertes, mayores del 50%, como complemento del CPD, el cual -como ya se dijo- maneja pendientes entre el 10% y el 50%.

Aunque esta fase se realizó igualmente en condiciones de laboratorio que no permitieron el uso de modelos a escalas deseadas, consistió, al igual que la anterior, en el estudio de una estructura de vertimiento adecuada para pendientes mayores al 50%, sobre modelos hechos en madera aserrada y prensada (unos) y en láminas de acrílico cristal (otros), operados también para distintos caudales y distintas pendientes, hasta establecer -a partir de las leyes de similitud de Froude- la geometría del canal y sus dimensiones en función del caudal de diseño del mismo, así como las relaciones entre esas dimensiones y las velocidades que se desarrollan en el canal y en sus rápidas entre columpios, para pendientes variables finalmente establecidas en esta investigación entre el 50% y el 173%.

Los resultados se publicaron de igual forma y de manera inicial en el Boletín de Vías No. 47 de enero – diciembre de 1981. ƒ

La fase 3 (que junto a la fase 4 se encargó de la optimización del diseño del CRTC), fue llevada a cabo entre 2001 y 2002 con la participación de los estudiantes Ingenieros Civiles Eduardo Brand Ruiz y Robinsón Ramírez Hernández, quienes trabajaron en el diseño y construcción de tres (3) nuevos modelos hidráulicos del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio, en mejores condiciones de laboratorio frente a las que se tuvieron en las fases 1 y 2,

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pues fueron construidos en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales –del cual se vino a disponer apenas en la década de los noventa del siglo pasado- sobre una infraestructura (conducción, válvulas, tanque de alimentación, espacio para el desarrollo de los modelos y sistema de desagüe y aforos) que permitía el ensamble en un banco de ensayos de modelos de desarrollo vertical cercano a 10 metros y el uso de caudales mayores a 50 l/s en ese banco, lo que se reflejó en modelos con escalas casi el triple de las usadas en las fases anteriores. En esta oportunidad, los modelos se construyeron en láminas de acrílico cristal y con el propósito de simular tres (3) distintas distancias entre columpios para el estudio de la influencia de esa variable en el comportamiento del canal. Además, los modelos se construyeron de manera que permitieran el estudio de otras variables (que en la fase 2 se habían dejado como constantes) como la distancia -del fondo y las paredes del columpio- a las tapas que hacen parte del diseño del mismo. Así, su tuvieron listas las condiciones para adelantar la siguiente fase. ƒ

Las estudiantes Ingenieras Civiles Jackelline González Blandón y Claudia Marcela González Blandón participaron a su vez en la siguiente fase de este estudio, la fase 4 (2002), correspondiente a la operación y análisis de resultados de los tres (3) nuevos modelos del CRTC construidos en la fase 3, de donde surgieron las conclusiones definitivas sobre el diseño óptimo de esta estructura, mostrado en el numeral 6.2 de este libro, y que reemplazó definitivamente el diseño obtenido en la fase 2.

Las principales conclusiones del estudio en esta fase tuvieron que ver con una más confiable relación entre la geometría del canal y el caudal de diseño (por las obvias razones de haber trabajado en un modelo de mucho mejor escala) y la demostración de la muy poca injerencia que tiene la distancia entre columpios (hasta 10 veces el ancho del canal) y la separación de las

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tapas del columpio del fondo de éste (por lo cual se escogió la menor, que es la misma que se tenía desde el diseño de la fase 2) en el comportamiento hidráulico adecuado del canal. (Ver Fotografía 2).

Fotografía 2. Modelo hidráulico del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC). (Fase 3).

ƒ

Una última etapa en este proceso fue el diseño de la transición entre el Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) y el Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y la optimización de éste último, la cual se denominó fase 5 (2003), con la participación de las estudiantes Ingenieras Civiles Merlyn J. Riascos Delgado y Ana María Lucero Carvajal.

En efecto, en esta fase del estudio se tuvo la oportunidad de diseñar sobre modelos físicos hidráulicos, acoplados a los utilizados en las fases 3 y 4, la tra...