DISEÑO DE OBRA DE CONSERVACIÓN DEL ÁREA DE PICA DEL GASODUCTO NURGAS 36",SECTOR UNIVERSIDAD DE CARABOBO

Filippo RANDAZZO (1); Igor ITURBE (1) y Edilberto GUEVARA (2).

(1) PDVSA, PALMAVEN. Venezuela. (2) Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Carabobo

Resumen

El gasoducto de PDVSA, de 36" de diámetro Nurgas, abastece de gas natural la región centrooccidental del país. A lo largo de su recorrido se ha presentado socavación, por la acción del agua y viento. También hay deslizamientos de terreno, ocasionando el deterioro de la protección catódica de la tubería. En la progresiva 016+000 el gasoducto ha quedado al descubierto debido a la erosión generada por la corriente del río Cabriales. Este trabajo tiene como objetivo diseñar las obras de conservación requeridas para evitar la socavación del gasoducto producida por el flujo del río Cabriales, evitando que las obras causen el mínimo impacto ambiental.

Summary.

PDVSA gas pipeline, the 36" diameter Nurgas, that supply natural gas the centerwest región of Venezuela, show in some segments of its run from the east part of the country, undermining and displacement of terrain, due to the action of water and wind; this brings as a consequence, among other problems, the deterioration of the cathodic protection system, which is essential to the operation reliability of the gas pipeline. In the progressive 016+000, the gas pipeline remains uncovered due to erosion cause by the Cabriles River. This study has as objective, to analyze the problem and then, make the detail engineering for the protection works to solve the problematic situation in the gas pipeline at the site it cross the Cabriles River, taking into account the best practices for the environment protection.

1.-INTRODUCCIÓN

El gasoducto NURGAS, atraviesa la ciudad de Valencia en su recorrido de Este a Oeste, interceptándose con el cauce del río Cabriales, en la progresiva 016+000. La dinámica fluvial del río ha puesto al descubierto un tramo de la tubería que se encontraba enterrado, creando problemas de deterioro del medio ambiente y de riesgo de la protección catódica de la tubería. Esta situación ha conducido a la necesidad de formular y diseñar las alternativas técnicas que permitan asegurar la estabilidad estructural del mencionado gasoducto en el tramo afectado. En este trabajo se presenta un resumen de los resultados obtenidos en la formulación y diseño de las mencionadas medidas de protección.

2.-METODOLOGÍA

El trabajo se realizó en las siguientes fases:

a) Reconocimiento de campo y revisión bibliográfica sobre conceptos básicos, marco teórico de los estudios y realización de la caracterización físico-natural del área de estudio. La principal fuente para este aspecto lo constituyen los estudios c Sistemas Ambientales Venezolanos, (MARNR, 1983).

b) Elaboración del mapa de uso actual de la tierra, utilizando las interpretaciones de las fotografías aéreas de la misión 030110! a escala 1:50.000 del año 1.984, fotografías aéreas de la misión 0302147, a escala 1:25.000 del año 1991, fotografías aéreas convencionales tomadas durante reconocimiento de campo y visitas de campo para verificación y corrección de las líneas é interpretación. Luego se representa la información mediante digitalización del área de la cuenca.

c) Levantamiento topográfico plani-altimétrico del sitio del meandro, con topografía de 3ª orden de precisión, para elaborar u plano a curvas de nivel y los perfiles transversales longitudinales del río, que permitan el trazado de las alternativas de solución a plantear.

d) Estudio hidrológico de la cuenca del río Cabriales, hasta el sitio de cruce con el gasoducto para estimar los caudales picos. Se uso el método del Hidrograma Unitario Sintético del Soil Conservation Service (1986) y los resultados se transitaron a lo largo del cauce, por el método de Muskingum. Para detalles del procedimiento puede consultarse referencias como Guevara y Cartaya (1990). Las cuencas se dividieron en 3 subcuencas (ver figura 1)

Figura 1. División del Río Cabriales en Sub-cuencas.

a) Estudio de suelo, de la zona afectada para la obtención de los coeficientes de fricción interna, resistencia y granulometría para la estimación de la socavación en el cauce y la profundidad de fundación. Para el estudio de suelos se realizaron exploraciones sobre el área de la rivera del Cabriales en las inmediaciones de la progresiva 016+000 del gasoducto NURGAS 36", mediante perforación de hasta 4 m de profundidad y extracción por estratos de materiales perturbados e inalterados; también se llevaron a cabo pruebas de resistencia a la penetración.

b) La socavación del cauce consiste en la erosión y remoción de las partículas del lecho. Las condiciones que se estudian en este caso se refieren a la remoción de partículas, por la acción del agua, en el fondo de cauces.

La diferencia existente entre los diversos ríos, y la variación con el tiempo, de algunos factores dominantes en el proceso, hacen de la socavación un fenómeno inestable de difícil solución experimental o analítica ya que la modificación del patrón de flujo provoca cambios en la capacidad de transporte de sedimentos del río. Esta a su vez, induce alteraciones en el lecho que hacen variar de nuevo el patrón de flujo antes de haberse establecido el equilibrio. Para la estimación de la socavación en este trabajo se utilizó el método de Lischtvan-Levediev, cuyo procedimiento se describe a continuación:

El primer aspecto que considerara el método de Lischtvan - Levediev es la forma del cauce; esto es, si se trata de un cauce bien definido o no. El segundo aspecto de importancia que el método toma en cuenta es la textura del material de fondo, diferenciando entre material cohesivo, limo y arcilla, y el material no cohesivo, es decir, grava y arena. Los datos básicos para la aplicación del método lo constituyen el perfil transversal de la sección, el caudal de diseño y el tirante de agua, el análisis granulométrico y la distribución de los materiales del lecho. Se basa en el equilibrio existente entre la velocidad media del agua, V, y la velocidad necesaria para el inicio del arrastre del material de fondo Ve, en el instante en que se establece el proceso de socavación. Al aumentar la velocidad de la corriente por incremento del caudal, aumenta también su capacidad de transporte de sedimentos, iniciándose el proceso erosivo. Al mismo tiempo, la sección transversal aumenta disminuyendo la velocidad, y con ella la capacidad de transporte hasta que la erosión se detiene. La hipótesis principal de trabajo del método establece que el gasto por unidad de anchura permanece constante durante todo el proceso erosivo. En la ecuación de Manning, el caudal ∆Q que circula por una franja de área ∆A gancho ∆B, se expresa por:

donde:

puesto que

es constante para cualquier franja se puede escribir:

Con lo que la Ec. 1 queda;

Después de haberse producido la socavación, la profundidad de la franja es Hs, que es igual al tirante normal, yn, más la profundidad producida por efecto de la socavación general y transversal. En ese momento el caudal puede expresarse como:

Igualando las Ec. 2 y 3, se tiene;

Conocida la profundidad normal, y siendo Hs el valor que se trata de determinar, sólo queda por establecer el valor de a'. Para ello se considera el caudal total que atraviesa la sección:

donde:

Cuanto no existen pilas o estructuras que puedan causar contracción en el flujo del río, lo que implica que el coeficiente de contracción Cc es igual a 1,00, y la Ec. 6 se reduce entonces a:

Despejando el valor de a' de la Ec. 5, se tiene:

En la Ec.5 se puede observar que a medida que avanza el proceso erosivo disminuye el valor de V. En el momento en que V es igual a la velocidad necesaria para iniciar el movimiento de las partículas del fondo, se alcanza el equilibrio y la erosión se detiene. Al contrario que para V, para establecer Ve es necesario considerar la forma del cauce, la textura del material de fondo y su distribución. Para ríos con cauce bien definido, con un material de fondo cohesivo y heterogéneo en el tramo que se estudia. Para un cauce con estas características, según Maza Vc, se expresa como:

donde:

Igualando las Ec. 9 y 5, se tiene:

Figura 2. Valores de (3 en función de la probabilidad de ocurrencia del gasto de diseño. (Fuente: Julián

Aguirre Pe.1980.)

Figura 3. Valores de x para suelos cohesivos. (Fuente: Julián Aguirre Pe. 1980.)

a) Análisis y selección de alternativas de protección del gasoducto sobre la base de la experiencia

recolectada en los par anteriores. Para la selección, se tomaron en cuenta los métodos para protección de los márgenes de los ríos de mayor uso en país. Evaluando sus ventajas y desventajas, las cuales sirven de sustento para la selección de la solución al presente trabajo. Entre los métodos más utilizados se tienen los siguientes:

Rectificación del cauce. Enrocado.

Enrocado volcado. Enrocado a colocado a mano. Enrocado cementado. Muro de gaviones. Espigones. Bolsacreto. Jacks

Tetraedros Kelleners

En este caso se escogió el método de muros de gaviones. El Diseño para un muro de gaviones. El diseño de los muros de gaviones se rige por los criterios de estabilidad de los muros de gravedad, con las condiciones complementarias de verificar la resistencia al deslizamiento entre capas de gavio (tomando en cuenta la fricción en los planos críticos de mc de asegurar la resistencia del muro) y los esfuerzos en la fundación que no debe superar los admisibles. Por lo tanto, el diseño de la estructura gira en torno a la estabilidad que tenga el sistema de control, las fuerzas que ejercen las corrientes de agua y el terraplén protegido, determinando una sección estable que pueda resistir las fuerzas que actúan en contra de la estructura. En el análisis de la estabilidad del muro de contención a base de gaviones, intervienen las siguientes fuerzas.

1. Empuje hidrostático del agua en contra del muro de gaviones (Ew). 2. Empuje horizontal del material del terreno en contra del muro (Ea y Ep). 3. Fuerza de resistencia que ejercen los gaviones por el peso total de la estructura (W1 y W2,) En la figura

4 se muestra el diagrama de fuerzas que actúan 5°) La resultante R se obtiene: R = W 1 + W2 + Ea sen sobre el muro.

Para el caso de muro de gaviones, el peso de la roca disminuye por el efecto del contacto con el agua, por lo que el peso específico del gavión puede asumirse en 1400 Kg/m3, valor que toma en consideración el peso de la roca y el porcentaje de vacíos presentes en el gavión en conjunto. La altura del gavión dependerá del nivel máximo de agua alcanzado en el cauce fluvial. Para evitar que las rocas se deslicen fuera de la cesta, se coloca el alambre de las cestas doble o triple, de modo de disminuir el tamaño de la trama. El porcentaje de vacíos entre las piedras es del 15 al 22%, y el coeficiente de fricción entre capas de gaviones se adopta f = 0,4 a 0,6. La altura de los muros de gaviones no supera generalmente los 4 m y el ancho B de la base no menor a la altura H del muro, su perfil puede ser trapecial simétrico o no.

Figura 4. Fuerzas que actúan en la estabilidad de un muro de gaviones.

De acuerdo con la teoría de Rankine, 1°) Los eficientes Ka y Kp de los empujes activo y pasivo respectivamente, se estimaron mediante la teoría de Rankine, en función de los parámetros 0 y (3 del suelo a contener y apoyo respectivamente. 2º) Conocida la altura H necesaria del muro, determine el ancho inicial B de la base y B' en el tope, para las siguientes relaciones

3º) Hallar la magnitud de las resultantes Ea y Ep sobre el muro, y sus respectivos puntos de aplicación en los parámetros o planos correspondientes. 4°) Calcularlas cargas gravitacionales W1 (peso propio del muro) y W2 (peso de la tierra de relleno) y sus puntos de aplicación.

5º) La resultante R se obtiene: R = W1 + W2 + Ea sen β (11) 6°) Determinar el momento de volcamiento Mvole, para el muro:

7) Calcular el momento estabilizante Mest con respecto al punto I del talón:

Como el suelo que produce empuje pasivo en el talón del muro puede eventualmente eliminarse, es conveniente no tomar en cuenta el último término de la Ec.13, despreciando así la contribución del empuje pasivo en la estabilidad del muro. Resultando:

8°) Para la seguridad al volcamiento se exige:

9°) Hallar la fuerza Fr que se opone al deslizamiento del muro:

donde:

Ø es el ángulo de fricción entre el suelo y la base del muro, y c' el coeficiente modificado de la cohesión. Si el suelo junto al talón es removible, no se tomará en cuenta en el análisis el valor de Ep. En este último caso,

10°) Hallar el factor de seguridad al deslizamiento, con relación a la magnitud de Eah que es la fuerza que trata de deslizar el muro.

11°) Hallar el punto de aplicación de la reacción R:

La excentricidad resulta:

con respecto al baricentro de la base. Debe cumplirse:

para que la reacción R tenga su centro de presiones dentro del baricentro de la base en planta de modo que las presiones de contacto con el suelo de fundación sean de compresión en toda el área de apoyo. 12°) A continuación se hallan las presiones de contacto en el suelo de fundación.

En los muros, el ancho By corresponde a la longitud unitaria por metro. Si se cumple la totalidad de las condiciones elásticas estáticas enumeradas, el muro resulta estable y resistente. En caso contrario, debe rediseñarse variando sus dimensiones.

3.-RESUMEN DE RESULTADOS.

A continuación se presenta un resumen de los principales resultados. Los cuales se pueden encontrar en Randazzo (1998).

Tabla 1. Escorrentía en la cuenca.

Tabla 2. Caudal máximo.

Figura 5. Hidrograma de creciente.

Figura 6. Tránsito total del río Cabriales en el área de estudio.

Figura 7. Sección transversal aproximada del cauce del río Cabriales en el sitio de estudio.

Los resultados de los ensayos en los suelos de la rivera del Cabriales en la zona estudiada presentaron las siguientes características:

Grados texturales variables pasando desde arcillosos hasta arenosos, con espesores que van desde 1.5 m hasta 4 m. Se observa la presencia de materiales finos con características expansivas (ilíticas y montmorilloníticas)

que arrojan colapsos potenciales moderados, los cuales deberán ser tomados en consideración para el proyecto de la obra a diseñar. Los materiales finos ubicados en el lecho del río están en condiciones de saturación, por lo cual, su

resistencia a la penetración es baja, factor éste que se debe tomar en consideración en el momento de proyectar una obra en el sitio.

CONCLUSIONES

Las estructuras de protección, permiten obtener una fijación de los márgenes, previniendo y controlando los procesos de erosión y socavación que suelen presentarse en algunos cauces fluviales. La elección de un tipo determinado de protección dependerá, de las características del flujo, de la disponibilidad de los materiales que constituyen la protección, del transporte de los mismos, y de los riesgos que se quiera correr. En conclusión, cada problema en particular requiere del estudio de las condiciones locales y por lo tanto el costo de las soluciones posibles depende de estos factores y de la experiencia del Ingeniero proyectista desde el punto de vista hidráulico fluvial.

RECOMENDACIONES

Con el correr del tiempo se produce la corrosión de los alambres de las cestas del muro de gaviones, por lo cual, para prevenirlo, se suele vaciar un mortero de cemento y arena que llene los huecos. Cuando es necesario construir un muro de gaviones estanco, se aconseja el uso de geotextiles rodeando al muro, lo cual prolonga la vida útil del muro. Para ello se coloca una capa de geotextil en el paramento interno junto al suelo de relleno, impermeabilizando el muro y evitando la erosión del suelo. Las lluvias pueden producir erosión de talud superior del muro, lo cual hace necesario su protección para evitar daños del sistema anticorrosivo del gasoducto. Dicha protección debe realizarse a todo lo largo del muro, por lo que se aconseja una cobertura vegetal, debido a que es económica, no es necesaria mano de obra calificada y es de fácil acceso. La cobertura vegetal que mejor se ajusta a esta zona es la cobertura de pasto, entre los cuales podemos encontrar el pasto elefante (Pennisetum purpureum) y el pasto estrella (Cynodon plectostachyus). Los trabajos de recuperación deberán realizarse en el período de sequía (entre noviembre y marzo) para facilitar las labores de excavación y movimientos de tierra para evitar los aludes e inundación de zanjas. Debido a la presencia de una cloaca en la cercanía del gasoducto se ha producido socavación en la margen externa del río, lo cual en un futuro podría causar el afloramiento de la tubería, por lo que se recomienda la prolongación de dicha cloaca hasta su cauce o la construcción de un disipador de energía (torrentera).

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