307 Viacrespo CARINSA final Anexo a DisenoRompeolas REV3 26Mar09

8/8/2019 307 Viacrespo CARINSA final Anexo a DisenoRompeolas REV3 26Mar09

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CARTAGENERA DE INGENIERAS S.A. HASKONING NEDERLAND B.V.INGENIEROS CONSULTORES MARIT IME

Ttulo del documento Estudios y Diseos de la DefensaCostera de Crespo, Cartagena

Ttulo abreviado del documento Diseo Estructural de Obras en Roca yDragados

Estado Final rev. 3

Fecha Marzo 26, 2009Nombre del proyecto Defensa Costera de Crespo

Nmero del proyecto 9T0406.11 Royal Haskoning

307 Carinsa

Cliente CONSORCIO VIA AL MAR

Referencia 9T0406.11/R/903278/Nijm

Barbarossastraat 35

Apartado de correo 151

6500 AD Nijmegen

los Pases Bajos

+31 (0)24 328 42 84 Telfono

+31 24 3609346 Fax

[email protected] E-mail

www.royalhaskoning.com Internet

Arnhem 09122561 CdC

Bocagrande

Carrera 2 No. 4-115 Ofic. 205

Apartado de correo 118

Cartagena

Colombia

+57 (5) 665 8424 Telfono

+57 (5) 665 8943 Fax

[email protected] E-mail

Redactado por G.J. Roelevink M.sc. Ing. Civil

Revisado por J.W. Jongbloed M.sc. Ing. CivilFecha/iniciales revisin . .

Aprobado por S.Rizo MBA Ing. Civil

Fecha/iniciales aprobacin . .


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TABLA DE CONTENIDOPgina

1 INTRODUCCION 12 CRITERIOS DE DISEO 2

2.1 Requisitos funcionales 22.2 Vida til estimada del proyecto 22.3 Material de la Coraza 2

3 CONDICIONES DEL ENTORNO 33.1 Niveles de agua 33.1.1 Marea astronmica 33.1.2 Nivel de aguas extremo 33.2 Clima del oleaje 33.2.1 Fuente de datos 43.2.2 Clima de oleaje normal 43.2.3 Clima de oleaje extremo 53.2.4 Perodo de las olas 63.2.5 Parmetros de la costa cercana 73.3 Batimetra 7

4 DISEO DEL ESPOLN 84.1 Introduccin 84.2 Frmulas de diseo de la capa de enrocado 84.3 Estabilidad del pie del talud 84.4 Estabilidad de la seccin de la cabeza 114.5 Espolones o rompeolas 114.6 Seccin de la cabeza 114.6.1 Capa de enrocado 114.6.2 Capas inferiores 124.6.3 Pie de talud 124.6.4 Material del ncleo 124.6.5 Dimensiones generales 124.7 Seccin del Cuerpo 134.8 Diseo del enrocado de la proteccin marginal 13


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Lista de Tablas

table 3.1 Marea astronmica 3

Lista de figuras

figure 1.1 rea del Proyecto (el rea de relleno propuesta est trazada) 1figure 3.1 Clima del oleaje omnidireccional normal (anual y por

temporada) 4figure 3.2 Direccionalidad del oleaje costa afuera 5figure 3.3 Direccionalidad de la altura de ola extrema de 100 aos 6figure 3.4 Probabilidad de excedencia del perodo de olas para olas del

O / N-O / N 6figure 4.1 Seccin Transversal Cabeza 13figure 4.2 Seccin Transversal Cuerpo 13figure 4.3 Diseo propuesto para el enrocado 14


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1 INTRODUCCION

En Cartagena, a lo largo de la costa y cerca al aeropuerto, se planea realizar una

recuperacin de terreno para extender el anillo vial hasta empalmar con la AvenidaSantander, pasando por la costa de Crespo. En la fase anterior se ha determinado unaserie de layouts alternativos para este proyecto en el que dicha recuperacin de terrenoestar protegida por estructuras costeras. El layout seleccionado se muestra en lafigure 1.1.

Si la recuperacin de terrenos no estuviera protegida por estructuras costeras, el oleajeen combinacin con corrientes rpidamente erosionara el terreno recuperado; por ello,se ha llevado a cabo una evaluacin con un modelo de transporte de sedimentoscosteros para examinar la efectividad de diferentes medidas de proteccin en la costa(espolones o rompeolas paralelos). En este estudio se lleg a la conclusin de que losrompeolas paralelos seran ms efectivos para este proyecto en particular. En esteanexo se trata en mayor detalle el diseo conceptual de las estructuras de proteccin

preferidas para la costa.

figure 1.1 rea del Proyecto (el rea de relleno propuesta est trazada)


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2 CRITERIOS DE DISEO

2.1 Requisitos funcionales

El requisito funcional de los espolones es que deben evitar que la nueva rea derecuperacin que consiste de un relleno hidrulico, se erosione. Esto se lograbloqueando el transporte de sedimentos que tiene lugar a lo largo de la costa.

El transporte del sedimento ocurre principalmente en la zona de rompiente en la costa.Esto quiere decir que los espolones deben extenderse mar afuera ms all que laprofundidad en donde rompe la mayor parte de las olas.

2.2 Vida til estimada del proyecto

La vida til estimada se ha fijado en 50 aos. El periodo de retorno de los eventosmeteorolgicos y oceanogrficos para fines de diseo es de 100 aos.

2.3 Material de la Coraza

El material de la coraza consiste de roca natural puesto que la roca esconsiderablemente ms econmica que los elementos de concreto artificiales. stosltimos generalmente se aplican cuando el clima del oleaje requiere de un tamao deroca natural de tal peso que el manejo, transporte y explotacin de la cantera sevuelven exageradamente caros. Sin embargo, el clima del oleaje es relativamentemoderado en el sitio del proyecto y la altura de ola est limitada por la profundidad delagua.


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3 CONDICIONES DEL ENTORNO

3.1 Niveles de agua

3.1.1 Marea astronmica

Los niveles de marea se han obtenido con base en los datos del registro de la estacindel Club Naval en Cartagena. Se ha asumido que estos datos son representativos paratoda el rea del proyecto.

Rgimen de mareas. Estacin Club Naval (1971-1992)

SIGLA CARACTERISTICAS DE LA MAREA NIVEL (m)

NMPS Nivel Medio de Pleamares de Sicigia 0.322

MHW Nivel Medio de Pleamares 0.258

MTL Nivel medio de mareas 0.139

MSL Nivel medio del mar 0.137

MLW Nivel Medio de Bajamares 0.027

NMBS Nivel Medio de Bajamares de Sicigia 0

table 3.1 Marea astronmica

3.1.2 Nivel de aguas extremo

El nivel de agua extremo que se emplea para el diseo de las estructuras costeras deeste proyecto se determina sumando los efectos de la cada de presin atmosfrica y el

incremento mundial del nivel del mar anticipado con el HAT. El efecto del viento es muylimitado, este es ms pronunciado en aguas relativamente superficiales como lagos ycinagas.

Marejada ciclnicaEs probable que la reduccin de la presin atmosfrica y las olas altas ocurran almismo tiempo puesto que ambos se deben al paso de un coletazo de un huracn en lacercana de Cartagena. La presin atmosfrica mnima resulta en un incremento delnivel del agua local. Dicho incremento del nivel de agua (z en m) es igual a:

( )Sppz = 001.0 [3.1]

Supuestas presiones atmosfricas:Normal: P0=1013 [mbar]Durante un coletazo de huracn: Ps=970 [mbar]

Con la frmula [3.1] ello resulta en un incremento del nivel del mar de 0.43 m.

Aumento mundial del nivel del marSe ha tomado en consideracin un aumento mundial del nivel del mar de 0.25 m en losprximos 50 aos. Esta suposicin se basa en estimaciones realizadas por el Panel


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Intergubernamental del Cambio Climtico (Intergovernmental Panel on Climate Change- IPCC).

Tomando en consideracin los efectos de la presin atmosfrica y el incremento del

nivel del mar, el nivel mximo del agua, para el diseo es de 0.32 + 0.43 +0.25 =NMBS + 1.0 m.

3.2 Clima del oleaje

3.2.1 Fuente de datos

La informacin del oleaje se ha obtenido de la base de datos de estadsticas mundialesde olas en lnea (Global Wave Statistics On Line). Esta base de datos contieneinformacin sobre el viento y el oleaje provenientes de las observaciones satelitales y

por naves, registro instrumental y datos hindcast.

3.2.2 Clima de oleaje normal

El oleaje normal se describe como severo. En la figure 3.1 se muestra la altura de lasolas en aguas profundas mar adentro proveniente de todas las direcciones(omnidireccional) y durante todo el ao, as como la probabilidad de excedencia de laaltura de olas mar adentro para las olas provenientes del oeste, noroeste y norte.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

0.01 0.1 1 10 100

Probability of exceedence [%]

Hs[m]

All directions

W / N-W / N

figure 3.1 Clima del oleaje omnidireccional normal (anual y por temporada)

Segn la base de datos, la temporada de huracanes es entre junio y diciembre.

La direccionalidad de las olas mar adentro frente a la probabilidad de ocurrencia semuestra en la figure 3.2.


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x

0 - 1 m

1 - 2 m

2 - 3 m

3 - 4 m

4 - 5 m

5 - 6 m

6 - 7 m

25%

2.4%

figure 3.2 Direccionalidad del oleaje costa afuera

Se puede observar que la mayor parte del tiempo las olas vienen de direcciones entreel sureste y noreste. Estas olas no llegan a la costa de Cartagena. Se puede observarque nicamente el 6% del tiempo las olas vienen de direcciones entre el oeste y elnorte. Considerando que la lnea litoral va en direccin suroeste, estas son las nicasolas que realmente pueden llegar a la costa de Cartagena.

3.2.3 Clima de oleaje extremo

Para determinar el clima de oleaje extremo cerca de la costa se analizaron fuentes dedatos de estadsticas mundiales del oleaje. El clima definitivo de oleaje extremo cerca ala costa se determina mediante la transformacin del oleaje en aguas profundas maradentro. Esta extrapolacin se lleva a cabo usando una distribucin de frecuencia deWeibull La distribucin Weibull se ajusta a una curva de distribucin de frecuencia delos perodos de retorno. Los resultados direccionales de la extrapolacin Weibull de laaltura extrema de ola mar adentro se muestran en la figure 3.3, para la situacin deaguas profundas. Nuevamente, cabe resaltar que solamente las olas que vienen deloeste y del norte son pertinentes a este proyecto.


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Hs [m]

0

2

4

6

8

10

12

North

North-East

East

South-East

South

South-West

West

North-West

figure 3.3 Direccionalidad de la altura de ola extrema de 100 aos

3.2.4 Perodo de las olas

Considerando que tericamente no existe una relacin entre la altura y los perodossignificativos de las olas, se emplearn los perodos de ola menos favorables para la

estabilidad de roca de acuerdo a las frmulas [4.1] y [4.2]. Estos son perodos para loscuales el rompimiento de la ola cambia de rompiente a oscilante conforme a lasrelaciones [4.3] y [4.4]. Para estas olas se estima que dicho cambio ocurre paraperiodos del orden de 15 s.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100Percentage of exceedence [%]

W

aveperiod[sec]

All waves

Higher than 1 m

Higher than 2 m

Higher than 3 m

Higher than 4 m

figure 3.4 Probabilidad de excedencia del perodo de olas para olas del O / N-O / N


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Con el fin de definir un lmite en el perodo de ola, la probabilidad de ocurrencia delperodo de olas para las diferentes alturas y olas que vienen del oeste, noroeste y norteest trazada en la figure 3.4. Para olas de ms de 3 m, se puede observar en estegrfico que la probabilidad de excedencia de un perodo de ola de 10 seg es 0.0001% y

0.0003% para todas las alturas de ola. Tomando esto en consideracin, asumimos quepara una tormenta que tiene un pico de mayor intensidad que dure 12 horas y unperodo de retorno de 100 aos, no ocurrir ningn oleaje con perodos mayores a 10seg.

3.2.5 Parmetros de la costa cercana

Los datos de olas en aguas profundas mar adentro se han transformado en valorescerca de la costa tomando en cuenta los efectos de refraccin, poca profundidad yrompimiento. La altura mxima de ola cerca de la estructura est limitada por el efectodel rompimiento de las olas inducidas por la pendiente o la profundidad.

El rompimiento inducido por la profundidad se representa de acuerdo a la relacin [3.2].

bbb dH = [3.2]

Para una playa de pendiente suave (ms suave que 1:50), este valor oscila entre 0.50.6 de la profundidad de la columna de agua local. Se utiliza un ndice de profundidadde rompiente de b = 0.6 para las estimaciones de altura de ola cerca a la orilla.

Las olas limitadas por la profundidad de la estructura tienen una probabilidad deocurrencia relativamente alta. Por lo tanto, el diseo se llevar a cabo considerando elnivel de agua ms alto para el clculo de la ola de diseo.

La siguiente tabla muestra la ola de diseo en diferentes profundidades, considerandoel incremento por la marea y la presin baromtrica de 1 metro y el factor derompimiento de 0.6.

Profundidadlocal[m]

Columnade Agua

[m]

Olasignificantede diseo

[m]5 6 3.64 5 33 4 2.42 3 1.81 2 1.2

3.3 Batimetra

Los datos batimtricos disponibles muestran que las isbatas de la costa entre NMBS -4m y NMBS -10m corren aproximadamente paralelo a la lnea de la costa actual.Asimismo se observa que la pendiente de fondo es muy suave, del orden de 1:300


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4 DISEO DEL ESPOLN

4.1 Introduccin

En esta seccin se describe el diseo conceptual de un espoln perpendicular a la lneade la costa, as como el diseo de un enrocado de proteccin marginal. Los diseospropuestos se realizan de acuerdo a las condiciones del entorno mencionadas en elcaptulo 3.

4.2 Frmulas de diseo de la capa de enrocado

La estabilidad de la coraza del cuerpo del espoln se determina con la frmula de Vander Meer (1988). Esta frmula se basa en extensas investigaciones experimentales

consistentes en unos 300 ensayos 2D realizados en 1988 en el Laboratorio de deHidrulica de Delft. Actualmente es la herramienta disponible ms sofisticada para eldiseo de estructuras de roca tales como espolones, rompeolas y enrocados.

La frmula de Van der Meer (1988) calcula el peso de la roca en un talud de doble capade enrocado. Consiste de dos relaciones, una para las olas rompientes de tipo saltantesy otra para las olas rompientes de tipo rizantes:

Olas saltantes (plunging waves) en donde mcm < :

5.01.018.02.0

50

2.6 = mzn

s NPSD

H [4.1]

Olas rizantes (surging waves) en dondemcm

> :

Pmz

n

s NPSD

H 5.01.013.02.0

50

)(cot0.1 =

[4.2]

Donde:

tan5.0= mm s [4.3])5.0/(15.031.0 ))(tan2.6( += Pmc P [4.4]

Donde:

Hs Altura de ola significativa (m) Densidad relativa (roca- agua)/agua (-)Dn50 Dimetro nominal (m)P Permeabilidad (-)S Nivel de dao (-)N Nmero de olas durante una tormenta (-)


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m Parmetro de ola rompiente (( )

m

m

s

gT

H

=tan

2

2

) (-)

Pendiente del talud de la estructura (rad.)Tm Perodo del oleaje promedio (s)

A continuacin se explican los parmetros:

Densidad relativa, La densidad relativa es la densidad de la roca debajo de agua. La densidad del agua enla costa de Cartagena es de 1026 kg/m3. La densidad de la roca depende de la cantera.Se ha asumido la densidad de la roca de la cantera de Santana que mostr densidadesentre los 2400 y 2500 kg/m3. Por lo tanto se ha tomado este valor en 2450 kg/m3.

La densidad relativa resultante es de (2450-1026)/1026=1.39

Dimetro nominal, Dn50El dimetro de la roca para estructuras hidrulicas depende del peso de la roca. Sedetermina segn:

W50 = Dn503 * roca

en donde:W50 peso de la roca que sobrepasa el 50% del peso total del volumen considerado

(kg)Dn50 dimetro de la roca que sobrepasa el 50% de los dimetros del volumen

considerado (m)

rocadensidad de la roca (kg/m3)

P = Coeficiente de permeabilidadLa permeabilidad de la estructura depende del nmero de las capas. En el caso de losespolones y rompeolas es importante la distincin entre:

Estructura de 3 capas (dos capas de roca sobre el ncleo): P=0.4 Estructura de 2 capas (una capa exterior sobre el ncleo): P=0.5

ms = Pendiente de la ola (Hs/L)

Van der Meer asumi que el efecto del perodo de oleaje estaba relacionado con laforma e intensidad de las olas rompientes; por ello, utiliz un parmetro denominado desimilitud de surf (

m ).

S = rea relativamente erosionada.

Este parmetro es un indicador del dao que sufre la estructura durante su vida til. Elnivel de dao se define como el rea de erosin dividida por el cuadrado del dimetro.S (= 250/ ne DA ) representa ms o menos el nmero de rocas desplazadas. Valores dereferencia para S son:


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Dao inicial S = 1 hasta 3Dao medio S = 6 hasta 9Falla S > 10

Dependiendo del mantenimiento e inspeccin de los espolones o rompeolas se aplicaun valor S. Si el mantenimiento y la inspeccin se realizan con suficiente frecuencia, unnivel de dao medio es aceptable y el tamao de la roca puede reducirse, si no semantiene e inspecciona lo suficiente no se acepta dao ninguno.

En este caso los espolones se encuentran en un lugar urbano y por lo tanto lainspeccin es posible. Sin embargo, el mantenimiento es ms difcil por el hecho deque se trata de una zona urbana donde el acceso para el equipo y los materiales escomplicado y la obtencin de fondos se considera difcil. Por eso, se decide aplicar unvalor de 2, o sea, que casi no se acepta dao a los espolones.

Nmero de olasLa duracin de una tormenta en Cartagena normalmente no supera las 6 horas. Si seaplica la duracin de 6 horas y el perodo promedio de la ola durante una tormenta de10 s, el nmero de las olas durante una tormenta es de 6*3600/10=2160.

= ngulo del talud de la estructura al lado del mar.

Para los espolones se toma una pendiente del talud de 1:2,5 para la cabeza, 1:1,5 parael cuerpo.

4.3 Estabilidad del pie del talud

Van der Meer, d Angremond y Gerding investigaron la relacin entre la unidad de pesode los elementos del pie, nivel del pie de talud y el dao (Nod), y generaron lassiguientes relaciones:

15.0

5050

6.124.0 odn

b

n

s NDh

DH

+=

[4.5]

15.0

7.2

50

22.6 odt

n

s Nhh

DH

+

=

[4.6]

En donde:

odN = Carcter del dao (nmero real de rocas desplazadas de enrocado en una bandade ancho Dn50 por la estructura)

Nod= 0.5 : Comienzo del daoNod= 1.0 : Dao aceptableNod= 4.0 : Dao severo (Colapso)

hb= Profundidad del agua en la parte superior de la berma del pie.Dn50 = Longitud cbica equivalente de la piedra media


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Las frmulas [4.5] y [4.6] se pueden aplicar nicamente en el rango 9.04.0


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4.6.1 Capa de enrocado

Considerando los datos mencionados en los captulos anteriores, para la cabeza delespoln se requiere de roca de 3 toneladas. Normalmente, para la cabeza se considera

el resultado de la frmula de Van der Meer como el lmite inferior del rango de la roca.En este caso se aplica roca de 3 6 toneladas (Dn50 = 4.25 ton) para la capa deenrocado de la seccin de la cabeza. El espesor de esta capa es de 2.1 m.

4.6.2 Capas inferiores

Para la capa inferior se ha seleccionado un grado de 0.3 1 ton (Dn50 = 0.65 ton). Elespesor de la capa inferior es 1.1 m.

4.6.3 Pie de talud

La capa inferior de un grado de 0.3 1 ton se extiende por el fondo marino; esta capatiene un espesor de 1.1 m. Debajo de esta base se aplica una capa de grado 10 60 kg

y espesor de 0.5 m, el espesor total de estas capas es 1.6 m. La estabilidad de la basese evala empleando las frmulas [4.5] y [4.6] para 4.0>hht y [4.1] y [4.2] en donde

4.0


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figure 4.1 Seccin Transversal Cabeza

4.7 Seccin del Cuerpo

La seccin del cuerpo del espoln se encuentra entre la playa y la cabeza del mismo.

El cuerpo del espoln se construir en la playa rellenada. Con el fin de garantizar unabuena estabilidad y evitar socavacin de la estructura se excava una zanja hasta NMBS-1 m.

figure 4.2 Seccin Transversal Cuerpo

4.8 Diseo del enrocado de la proteccin marginal

Para el enrocado de la proteccin marginal se propone un grado de 1 3 toneladaspara la coraza de roca, una capa de filtro de 100 300 kg y una capa de 1-30 kg paraproteger el geotextil que se colocar sobre la playa.


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figure 4.3 Diseo propuesto para el enrocado


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Bibliografa

- USACE - Coastal engineering manual

- C.E.R.C. 2006 Coastal Engineering Manual (CEM), U.S. Army Corps of Engineers- C.U.R 169: Manual on the use of rock in Coastal and Shoreline Engineering

- IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution ofWorking Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panelon Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning (eds.)].

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