Análisis del riesgo de inundación asociado al diseño hidráulico de la confluencia entre dos canales urbanos. Canal el virrey – Canal castellana, en la ciudad de Bogotá. John Sneyder Díaz Tibanta Bryan Iván Vargas Guerrero Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil, Universidad Católica de Colombia, Grupo de investigación Hidrología e Hidráulica Urbana Bogotá D.C., Colombia

Resumen- Históricamente se han presentado problemas en los canales urbanos localizados en Bogotá, sobretodo en eventos de alta precipitación que traen como resultado problemas de desbordamiento. En donde los canales de nuestro estudio no son la excepción. Tanto el Canal Virrey como el Canal Castellana han presentado problemas de desbordamientos e inundaciones ya que su capacidad hidráulica se encuentra a tope tanto aguas arriba de su origen hasta este punto de conexión. Debido a estos antecedentes es necesario realizar estudios detallados y modelaciones en ambos canales. De acuerdo a las herramientas de trabajo, se analizará si el canal de confluencia (para nuestro caso el Canal Rionegro) soporta las condiciones y si su diseño es el adecuado para trabajar estos excesos de escorrentía. Las inundaciones en los canales representan un grave problema en las temporadas de invierno, ya que generan pérdidas económicas en la infraestructura, problemas de comunicación y dificultades en el transporte en donde en el peor de los casos ponen en riesgo la vida de la población. Esto se produce debido a los malos estudios, diseños y mala elección de la calidad de los materiales. Haremos un análisis hidráulico entre esta confluencia mediante una modelación, comprobando bajo diferentes condiciones de flujo el riesgo de inundación. Palabras claves: Inundación – Canal – Modelación – Análisis hidráulico –Confluencia. Abstract-Historically some problems have taken place in the urban channels of Bogota. During high rainfall days, overflow and floods are an expected issue. Our purpose is to study this issue. The Virrey Chanel and the Castellana Channel have presented overflow problems as well as floods, because their hydraulic capacity is at the limit in the origin point as well as in the junction point. Due to some records, it is necessary to achieve rigorous studies as well as modeling in both channels. So, according to our methods, first we must analyze the junction channel (in our case the Rionegro Channel), and determine if it supports the conditions and if its design is suitable to endure the runoff’ excess, which trigger floods. In the channels, floods represent a severe problem in winter and then economical loses in infrastructure, communication problems, transports and at worst life risks. This happens mostly in the junction point because of senseless studies, bad designs, mistaken choosing of materials. Therefore, we have to do an hydraulic analysis in the junction point using modeling, testing under different conditions the risk-flow of a flood. Keywords: flood – channel – modeling – hydraulic analysis – confluence.

I.

INTRODUCCIÓN

En este proyecto de grado estudiaremos de manera investigativa el movimiento de fluidos, refiriéndonos más detalladamente a las aguas servidas por canales, de lo cual analizaremos el comportamiento de la confluencia entre dos canales urbanos bajo diferentes condiciones de flujo y como esto afecta o genera un riesgo de inundación aguas debajo de la unión. Teniendo en cuenta estos estudios, se realizara una modelación computacional de la confluencia con el fin de verificar el comportamiento hidráulico del canal analizando si puede cumplir con la demanda cuando se presente el escenario más desfavorable.

II.

MARCO DE REFERENCIA

Canal En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil. El conocimiento empírico del funcionamiento de los canales se remonta a varios milenios. En la antigua Mesopotamia se usaban canales de riego, en la Roma Imperial se abastecían de agua a través de canales construidos sobre

inmensos acueductos, y los habitantes del antiguo Perú construyeron en algunos lugares de los Andes canales que aún funcionan .Claro es el ejemplo de los canales de Cumbe, el centro hidráulico más importante de los Andes El conocimiento y estudio sistemático de los canales se remonta al siglo XVIII, con Chézy, Bazin entre otros. [1] Clasificación de Canales Canales naturales: Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se encuentren en la montaña o en la planicie. Los canales naturales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Canales de riego: Éstos son construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno con fines de mejoramiento en la agricultura. Canales de navegación: Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que normalmente conecta lagos, ríos u océanos con el fin de transporte y/o movilidad. [2]

Las características geométricas son la forma de la sección transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del canal. Las características hidráulicas son: La profundidad del agua (h) en metros. El perímetro mojado (P) en metros. El área mojada (A) en m 2. El radio hidráulico (R) en metros. Todas en función de la forma del canal. También son relevantes la rugosidad de las paredes del canal, que es función del material en que ha sido construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.

hay un cambio de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. Flujo gradualmente variado El flujo es variado, si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el flujo uniforme no permanente es poco frecuente.

Flujo Crítico: Este flujo presenta una combinación de fuerzas inerciales y gravitacionales que lo convierten inestable, haciéndolo en gran parte en un estado intermedio y variable entre los otros tipos de flujo. Por tal razón es poco recomendable usarlo en el diseño hidráulico. en éste flujo el número de Froude es igual a 1 y no se generan resaltos hidráulicos.

Tipos de Flujo en un Canal Flujo Permanente Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades del movimiento permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio.

Flujo subcrítico: En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una sección determinada está condicionado al nivel de la sección aguas abajo (F1). [3]

Flujo uniforme Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde

III.

METODOLOGÍA

Identificar y caracterizar en campo la confluencia entre dos canales de

escorrentía urbanos. Realizaremos una visita al lugar seleccionado, en donde se realiza un registro, una medición con cinta métrica y posterior informe en el que delimitaremos la zona de estudio. Previamente a esto mediante Google Earth se logra una imagen satelital de la zona en cuestión. Paso a seguir realizaremos el respectivo levantamiento topográfico de la zona de estudio en donde utilizaremos equipo como una estación, jalones metálicos, una cartera de campo, una cinta métrica; luego el topógrafo nos dará las coordenadas tomadas y un plano de la zona en AUTOCAD. En este plano obtendremos el área de la zona de estudio, los perfiles de los Canales Virrey, Castellana y Rionegro.

Imagen 1. Localización zona de análisis

Imagen 2. Localización zona de análisis

Modelar matemática y computacionalmente el comportamiento hidráulico de la estructura bajo diferentes condiciones de flujo. Mediante el software HEC-RAS se realizara el desarrollo de un modelo hidráulico de un canal cumpliendo estos pasos básicos; crear un proyecto nuevo, introducir los datos geométricos obtenidos mediante el levantamiento topográfico, introducir los datos hidráulicos (caudal, condiciones de contorno), una geometría y unos datos hidráulicos para ejecutar la simulación y ver los resultados que se obtienen mediante la misma.

Imagen 3. Modelación en HEC-RAS

Realizar el análisis de energía y momentum lineal bajo diferentes condiciones de flujo para la estructura de transición entre la confluencia y la continuación del canal. Para la obtención de las conclusiones del estudio realizado se observará el comportamiento de la simulación variando valores como los n de Manning, la pendiente del canal, los caudales de entrada, las condiciones de la zona, la reacción o el fenómeno que se presenta en la confluencia y un análisis final de inundación.

Para el canal se utilizó un n de Maninng de 0.014 ya que es en concreto y ladrillo (Channel). Para las bancas LOB y ROB se trabajó un Maninng de 0.035

Imagen 6. Vista en planta de la geometría

Luego de la geometría, se ingresan los datos de flujo según los cálculos. e va analizar para varios periodos de 5, 10, 25, 50 y 100 años. Imagen 4. Curva de Altura vs Área en perfil

IV.

RESULTADOS

Se realizo el ingreso de la geometría obtenida para la sección transversal 1. Aguas abajo (se empieza a ingresar cada una de las secciones de aguas abajo hacia aguas arriba).

Se ingresan los caudales para cada uno de los tiempos de retorno establecidos. Se establecen las condiciones de contorno conocidas. Se corre el programa y se observan los datos obtenidos y grabados en el archivo nombrado como plan01.

Imagen 7. Vista de perfil luego de correr programa

Imagen 5. Geometría en HEC-RAS de perfil 3

Obtenidos previamente los datos de caudales del canal en la zona de interés para periodos de retorno de 5,10, 20, 50 y 100 años, se procedió a montar el modelo hidráulico HEC-RAS.

Imagen 8. Vista de planta según tiempos de retorno

Luego de seleccionado el modelo para realizar el análisis hidráulico, se procedió a estudiar sus requerimientos mínimos. La información necesaria para la modelación incluyó los trabajos de levantamientos topográficos de los canales de estudio, el levantamiento de las secciones transversales de la alineación del canal e inspecciones en sitio para evaluar todas las estructuras existentes. Todo con la finalidad de tener una representación real del canal rionegro y canal el virrey.

Se cargaron las secciones transversales para el canal el virrey y el canal principal Rionegro que es de diseño para los periodos de retorno seleccionado. Como condición inicial se establecieron las pendientes. Una vez corrido el modelo se procedió analizar las salidas, que para nuestro caso corresponde al análisis a los perfiles de agua, las secciones transversales y los niveles de aguas máximas extraordinarias.

Se suministraron 11 secciones transversales para el desarrollo del modelo hidráulico. Imagen 10. Línea de energía, cabeza de velocidad, profundidad crítica, profundidad normal, ancho en la superficie, velocidad, numero de Froude, perdidas.

Imagen 9. Perfil topográfico usado para modelo

Los problemas que se presentaron al ensamblar el modelo, surgieron cuando se trató de montar el modulo hidrodinámico del modelo hidráulico HEC-RAS. Se procedió a usar el modelo de flujo estable para determinar los perfiles.

Aun así se estableció el modelo y se obtuvieron los siguientes resultados mediante el software HEC-RAS:

La fuerza de arrastre del río media, lo que puede ocasionar o causar daños moderados para cualquier estructura que se construya sobre el alineamiento del canal.

Luego de ensamblado el modelo HECRas, se procedió a realizar las corridas para periodos de retorno de 2, 5, 10, 20, 50 y 100 años. En el cuadro se presentan los resultados de la corrida realizada del canal el virrey y canal rionegro hasta el sitio de interés para un caudal máximo con un periodo de retorno de 100 años.

Con la simulación se puede observar que el canal está bien dimensionado para soportar caudales máximos históricos. Según la simulación en cada una de las secciones transversales se puede observar que siempre existe un borde libre superior a 1 m. Si llegase a presentarse un caudal mayor a los estudiados se presentaría inundación de las llanuras adyacentes, lo cual provocaría grandes pérdidas de obras de infraestructura o vidas humanas debido a la velocidad y capacidad de arrastre por parte del canal.(sería un desastre para áreas adyacentes)

V.

Tabla 1. Resultados para los periodos de retorno

CONCLUSIONES

Se realizo un análisis del comportamiento hidráulico de la confluencia entre dos canales urbanos bajo diferentes condiciones y regímenes de flujo, arrancando con una topografía que fue estudiada mediante un modelo matemático (HEC-RAS) y que con cuyos resultados se concluyo que el canal Rionegro tiene una optima condición de diseño para varios caudales y periodos de retorno. Con los resultados obtenidos en la modelación, podemos deducir que a pesar de que la confluencia (o punto de

encuentro) se encuentra bien diseñada, existen factores como el diseño hidráulico y el diseño geométrico de los dos canales que no están adecuados para afrontar caudales grandes y esto traería como consecuencia altos riesgos de inundación.

REFERENCIAS HIDRAULICA DE LOS CANALES ABIERTOS. VEN TE CHOW. [En línea]. Disponible en: 1982. ISBN 968-131327-5 [consultado el 15 de Agosto de 2013]. CURSOS EDUCATIVOS. [En línea]. Disponible en: http://www.fing.edu.uy/imfia/cursos/hha20 08/Teo2_10_b.pdf [consultado el 15 de Agosto de 2013]. HIDRAULICA DE FLUIDOS. [En línea]. Disponible en: http: // fluidos . eia . edu . co / lhidraulica / guias / flujo gradualmente variado / flujogradualmentevariado.html [consultado el 15 de Agosto de 2013].