Farias-Prieto-Dominguez Rio Juramento JCT-NOA-2012

8/18/2019 Farias-Prieto-Dominguez Rio Juramento JCT-NOA-2012

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Análisis Fluvio-Morfológico de un Tramo del Río Juramento yDiseño de Obras de Protección de Márgenes

Hector Daniel Farias1 , Jorge Prieto Villarroya2 & Lucas G. Domínguez Ruben1

(1) Instituto de Recursos Hídricos, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías, Universidad

Nacional de Santiago del Estero.

[email protected]

(2) Estudio Delta-Phi Ingeniería. La Banda, Santiago del Estero

[email protected]

RESUMEN: En este trabajo se presenta el análisis de procesos fluvio-morfológicos, estudios

hidrológicos, modelación hidráulica y diseños de ingeniería para el control de un tramo del Río Juramentoen la provincia de Salta. En ese sector, aguas debajo de la Presa El Tunal, el río exhibe un patrón dealineamiento en planta altamente meandriforme y ha desarrollado recientemente procesos evolutivosaltamente dinámicos en respuesta a crecidas de envergadura, caracterizados por erosiones de márgenes,migraciones y cortas de meandros, afectando amplias superficies del territorio con actividades productivas. En el trabajo se describen los estudios llevados a cabo para caracterizar los procesosdominantes y las soluciones de ingeniería aplicadas para el control y mitigación de sus efectos.Área: Ciencias Aplicadas. Disciplina: Ciencias Tecnológicas. Subdisciplina: Ingeniería.

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Objetivos

El presente trabajo tiene por objetivo lacaracterización de los procesos fluvio-morfológicos en un tramo del Río Juramento(Provincia de Salta) altamente dinámico y ladefinición, diseño, dimensionamiento ycuantificación de las obras de protección demárgenes necesarias para la estabilización delsegmento de curso fluvial. En la zona de interés,el curso ha experimentado una serie de procesosmorfológicos y evoluciones en un breve lapsotemporal, que afectan negativamente la operaciónde obras diversas (por ejemplo, estructura detoma para riego) e infraestructura (e.g., caminos

de servicio, pista de aterrizaje) en los terrenos próximos al cauce fluvial.

1.2 Area de Estudio. Ubicación

El área de estudio comprende el tramo del ríoJuramento que discurre colindante con el perímetro de la finca de Inversora Juramento S.A(IJSA), entre las localidades de Joaquín V.González y Gaona, Provincia de Salta (Figura 1).El mayor nivel de detalle del estudio correspondeal tramo del río Juramento situado desde aguasarriba de la obra de toma de IJSA hasta la salida

de la finca, en coincidencia aproximada con la

obra de toma de la siguiente explotación productiva. En ese segmento, el curso fluvialdiscurre en un sentido Norte-Sud siguiendo untrazado aproximadamente paralelo a la Ruta

Nacional N° 16 (Farias & Prieto V., 2011).

Figura 1. Ubicación del Area de Estudio.


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2 METODOLOGIA

2.1 Estudio Hidrológico

Para el análisis de determinados factores

(principalmente hidrológicos y sedimentológicos)se ha considerado necesario aumentar la escalaespacial de análisis a un nivel regional,considerando un ámbito de estudio de mayorextensión, que comprende el tramo del RíoJuramento desde aguas abajo de la Presa El Tunalhasta proximidades de la sección deemplazamiento actual de la toma del Canal deDios, al Norte del límite entre las Provincias deSalta y Santiago del Estero.

En el transcurso de los últimos años se han presentado al menos tres eventos significativos decrecidas, en los años 2008, 2010 y 2011, siendoeste último uno de los eventos más importantesdesde que se tienen registros.

A los efectos de evaluar la incidencia sobre lacurva de frecuencias, se procedió a compilar losdatos de caudales medios diarios erogados desdela Presa El Tunal, provistos por la operadora de lacentral hidroeléctrica (AES), desde el año 2005hasta mediados de octubre de 2011.

El análisis primario de la información de caudalesdiarios muestra claramente que el año hidrológico2010-2011 (desde el 01 de septiembre de 2010

hasta el 31 de agosto de 2011) ha sido el másimportante en términos de crecidas desde la puesta en operación de la Presa El Tunal.

En la Figura siguiente se presenta el detalle delhidrograma registrado durante los meses defebrero y marzo de 2011, donde puedenapreciarse claramente los picos menores y el picomáximo.

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

01-Feb-11 01-Mar-11 29-Mar-11

Tiempo, t [dias]

C a u d

a l e s ,

Q

[ m 3 / s ]

Figura 2. Hidrograma de caudales medios diarios (en ElTunal) registrados en febrero y marzo de 2011.

Puede observarse claramente la ocurrencia de unmega-pico, con valores mayores a los 350 m3/s amediados de marzo, correspondiente a unacrecida local, precedida de dos picos del orden de150 m3/s y uno previo cercano a los 200 m3/s,comprendiente un tiempo base total del orden de

los 2 meses. Luego del pico máximo (de 355 m

3

/socurrido el 13 de marzo de 2011), en un lapso de

10 días se produce un brusco descenso,alcanzándose el caudal de base (levemente mayora los 50 m3/s) que se mantiene casi constantedesde el 23 de marzo hasta el 16 de octubre.

Si se tiene en cuenta que el caudal dominante delRío Juramento para este tramo se ubica próximo alos 50 m3/s (Farias & Prieto Villarroya, 2011),resulta evidente que esta crecida ha sido laresponsable de los procesos morfológicosdesarrollados por el curso en su historia reciente.

A partir de la serie ampliada de caudalesmáximos anuales de los medios diarios (queahora incluye 19 registros), se realizó un nuevoanálisis de frecuencias. Para ello se aplicó el paquete de software H YDRO F RE Q. Los resultadosobtenidos se presentan en las tablas siguientes.

Tabla 1. Análisis de Frecuencias de CaudalesMáximos Diarios en el Río Juramento

Q log Q

Mean 120.11 4.59

St. Dev 86.92 0.61

Skew 1.63 0.76

TR GEV LN3 LP3 P3

2 90.93 86.94 86.04 98.31

5 154.45 160.05 153.42 177.84

10 213.35 235.33 227.45 234.25

20 287.04 331.59 331.80 289.56

25 314.71 367.63 373.89 307.28

50 415.87 497.27 539.44 362.00

100 545.24 656.96 774.78 416.70

200 711.11 851.40 1109.84 471.46

500 1004.66 1170.65 1781.03 543.93

Fit Method L Moments Max. Like Max. Like Moments

Location 75.37 3.88 3.69 120.11

Scale 39.71 1.1 0.44 86.92

Shape -0.36 38.69 2.08 1.63

Se adoptará la distribución LN3 como la quemejor representa la serie. Con ello, los caudalesde recurrencia 25, 50 y 100 años resultan,respectivamente: 368, 497 y 657 m3/s.

2.2 Análisis Fluvio-Morfológico

En cuanto a las condiciones de estabilidad deltramo analizado, el diagrama de estabilidad

relativa de Schumm (1977) indica claramente queel tramo bajo análisis del Río Juramento secorresponde con un cauce tipo “3”(meandriforme), con sectores tipificados dentrodel sub-grupo “3a” (estabilidad relativa media-alta) y algunos otros, en los que se disponeabundante material aluvial en condiciones de sertransportado que se incluye en el grupo“3b”(estabilidad relativa media).

Como se trata de un “río regulado” y el tramoestudiado se ubica aguas abajo de un embalse enel que operan procesos de retención desedimentos, las características morfológicas del

curso están gobernadas por caudales líquidos


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resultantes de “hidrogramas artificiales” en lamayor parte del curso y transporte sólido limitado por la falta de disponibilidad de materialesgruesos y por ende con sólo fracciones finastransportadas en suspensión. Los sub-tramos en

los que se dispone de materiales gruesos(principalmente provenientes del aporte dearroyos tributarios no-regulados) son loscomprendidos aguas debajo de La presa del Tunalkm 25 que se comportan como cursos del tipo 3b,con disponibilidad de carga de lecho y con un patrón de comportamiento más activo en cuanto a procesos de migración lateral y longitudinal. Enla Figura 3 se presenta una escena del tramoanalizado, correspondiente al año 2011.

Figura 3. Imagen del tramo estudiado

Por su parte, si se considera el clasificadorcualitativo (basado en forma en planta) de Brice(1975), el Río Juramento en el tramo bajo análisisse ubica en el rango de los cauces meandriformes,con un grado de sinuosidad tipo “3” (>1.26). Elcarácter de la sinuosidad varía entre los tipos “A”y “B”, con anchos del cauce activo poco variables(en torno a los 30 metros y en el rango de 25 m a

50 m).Si se considera el clasificador extendido de Brice& Blodgett (1978), en el mismo se puedenobtener elementos adicionales para caracterizar elcomportamiento del cauce (Brice, 1982).

En este caso, se trata de un cauce aluvialmeandriforme, en el que los materialessedimentarios dominantes están constituidosfundamentalmente por arenas y limos.

El modo dominante de transporte es desuspensión en la mayor parte de los tramos, conaportes de carga de lecho únicamente en las zonas

de confluencia de arroyos desde la margenizquierda.

Con estas características, el río se comporta demanera estable en general, conservandoglobalmente el ancho del cauce único (del ordende 25 m a 50 m) dentro de la faja de divagaciónde los meandros.

Finalmente, se han aplicado los criteriosdelineativos de clasificación propuestos porRosgen (1994, 1996). La inspección de losmismos permite clasificar a este tramo del RíoJuramento como una corriente fluvial del tipo “E”que en su descripción de este tipo de corrientesmanifiesta que se trata de ríos con pendientessuaves (menores al 2%), que discurren sobredepósitos de materiales finos, y que desarrollanun patrón de alineamiento planimétrico de tipo

meandriforme.La pendiente media global del tramo se sitúa en elorden del 1 por mil, con un gradiente del lecho detipo cóncavo que muestra pendientes variablesentre el 0.7 o/oo y el 1.8 o/oo aproximadamente.

Desagregando aún más la clasificación, dentro dela familia "E", la tipología dominante correspondeal patrón "E-6", indicándose para el mismo“cursos de pendiente suave desarrollados sobreamplios valles fluviales o lacustres, en los cualesla sección transversal del cauce principal tiende aestabilizarse con razones de aspecto (relación

ancho/profundidad) moderadas”.

“Los materiales predominantes son arenas finas ylimos en el lecho y suelos limo-arcillosos conacumulaciones orgánicas en las márgenes, lo cualcontribuye a la proliferación de vegetaciónherbácea y arbustiva que contribuye a laestabilidad lateral”. En cuanto a los valorestípicos de los parámetros morfológicos, las pendientes son del orden de 1o/oo, las razones deaspecto del orden de 12 a 24 (para nivel deumbral de desborde o bankfull) y la sinuosidadmayor a 1.5 (Rosgen, 1996).

Con respecto a la clasificación morfológica delrío, las imágenes satelitales dan muestrasevidentes que se trata de un cauce predominantemente meandriforme para loscaudales dominantes (Yalin & Ferreira, 2001).

En el tramo objeto de análisis, el río discurresobre su planicie con un patrón planimétricotípicamente meandriforme, con meandros deamplitud media y sinuosidad variable que oscilaentre valores de 1.4 y 1.7.

Se observan sobre la planicie vestigios deantiguas trazas del cauce, meandros abandonados,


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la envolvente definida por seis anchos (lo queequivale a 6 x 33 = aprox 200 metros) desde la posición actual del extremo de la mancha deinundación producida para el caudal de diseño.

No obstante se han observado zonas conimportantes procesos de erosión de márgenescomo resultados de procesos de migración lateraly longitudinal en procura de alcanzar nuevascondiciones de estabilidad morfológica ante lasrestricciones impuestas (alteración del régimen decaudales y actividades en la planicie aluvial).

Figura 6. Zona crítica 02

Figura 7. Zona crítica 03

2.3 Modelación Hidráulica del Tramo

Para el análisis del comportamiento hidráulico deltramo en estudio y la definición de parámetros de

diseño básicos para las protecciones, se procedióa la modelación hidráulica del tramo.

Para ello, se aplicó el Modelo HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center, River AnalysisSystem), desarrollado por el Cuerpo deIngenieros de los Estados Unidos (USACE,United States Army Corps of Engineers), y

ampliamente difundido en escala global para estetipo de estudios (HEC, 2004).

El modelo resuelve las ecuaciones del flujogradualmente variado (Chang, 1988) en un tramodefinido a través de una serie de seccionestransversales y para un conjunto de caudalesdefinidos por el usuario.

En la Figura siguiente se presenta el tramomodelado, en el que se indican las seccionestransversales usadas, las cuales fueron provistas a partir de un relevamiento topográfico llevado acabo por personal de la Empresa IJSA.

Figura 8. Modelación Hidráulica del río con HECRAS

En el esquema pueden observarse las ubicacionesde las secciones transversales usadas en lamodelación. A las secciones relevadas en campose le adicionaron las resultantes de un algoritmode interpolación disponible en el Editor de DatosGeométricos de HEC-RAS que se usó para

asegurar el funcionamiento del programahidráulica y la estabilidad de los cálculos.

0 20 40 60 80 100 120 140 160377

378

379

380

381

382

383

Estudio Hidr Rio Juramento IJSARS = -4168 XS-07

Station (m)

E l e v a t i o n ( m )

Legend

EGQ= 368 m3/s (25

WS Q= 368m3/s (25

0 m/s

1 m/s

2 m/s

Ground

BankSta

.09

.03 .09

Figura 9. Ejemplo de una sección transversal

Entre los productos obtenidos con la simulacióncon HEC-RAS se destacan los perfiles hidráulicosdel flujo para distintos caudales, las seccionestransversales con la distribución lateral de

velocidades (un ejemplo se muestra en la Fig. 9),


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velocidades medias, Números de Froude,tensiones de cizallamiento, etc. Todos estos parámetros hidráulico se utilizan para el diseño yverificación de las obras de control.

3 OBRAS DE PROTECCIÓN

3.1 Generalidades

En una primera instancia de actuación paramitigar los efectos generados por los procesos deerosión de márgenes que se han producido en lazona de interés, se han previsto obras de protección de márgenes que se encuentranenmarcadas dentro de la tipología de Geotubos (odiques direccionales).

Un geotubo es un tubo (en rigor un elementovolumétrico de forma cuasi-cilíndrica) fabricadocon un geotextil permeable al agua peroimpermeable al paso del material del suelo,llenado con arena o material de drenaje. Elgeotubo tiene orificios de entrada y salida en todasu extensión para propiciar las maniobras dellenado y drenaje. El tubo puede llenarse en tierra, por ejemplo como pólders para ganar terreno alagua o terraplenes; bajo el agua, puede usarse, porejemplo, en escolleras offshore, zócalos de playaselevadas, pólders de islas artificiales o parainterrumpir canales formados por corrientes (de

marea). Cuando se instala un tubo bajo el agua,antes de llenarlo debe considerarse el efecto de boyamiento (empuje ascencional de Arquímedes)que actúa sobre el geotextil del tubo, comotambién las características de decantación delmaterial de dragado.

Los geotubos están constituidos por cilindros (de base cuasi-elíptica) de gran diámetro (Ø > 1 m enalgunos casos) y longitudes variables, fabricadosen geotextil. Su llenado se realiza mediante bombeo con arena (o mezcla de sedimentos finoso suelo local) del mismo material de dragado,mediante bocas de acople y de alivio de presionesque vienen colocados en fábrica.

Las principales ventajas observadas en losgeotubos son: (a) Suficiente permeabilidad paraaliviar el exceso de presión interior de agua; (b)Retiene hasta el 100% del material dragado; (c)Resiste las presiones de llenado y las cargasactivas sin rupturas de los sellos o del geotextil;(d) Resiste las fuerzas de abrasión mecánicadurante las operaciones de llenado; (e) Soportalos esfuerzos de desdoblamiento y colocación; (f)Resiste los esfuerzos cortantes y losdesgarramientos; (g) Resiste la luz ultravioleta;

(h) Tiene muy larga duración y mínimosrequerimientos de mantenimiento.

El geotubo almacena un gran volumen y peso desedimento. Este gran peso, unido a la resistencia propia del material sintético contra los esfuerzosde tensión y de corte, proporciona un diqueestable aún en esfuerzos debidos a las crecientes.Además, el hecho de ser permeable al agua peroque impide la salida de los sedimentos, significaque alberga el material sin permitir que sedisperse en sitios no deseados.

Para efectos del presente estudio, se ha supuestola colocación de geotubos de sección transversalinicialmente elíptica de 0.65 – 0.75 m de altura y2.50 – 2.75 m de ancho mayor, 5.00 m delongitud cada elemento, con un volumen delorden de 1.65 m3/m lineal, en rellenos de arena

y/o suelo limo-arenoso procedente del mismomaterial de excavación en el ambiente fluvial. Deesta manera se logra la estabilidad de la protección en temporadas de aguas altas.

Ambientalmente se ha comprobado que en lasáreas confinadas por geotubos, se propicia elcrecimiento de vida silvestre (vegetal y animal), porque retienen los sedimentos y se establece unarelación suelo-agua análoga a las condicionesnaturales de los humedales. Por ello, resulta unatipología de protección con un alto grado de“amigabilidad ambiental” en el caso de sistemas

fluviales.Al mismo tiempo, en zonas lagunares o cuerposde agua con muy bajas velocidades, el sistema proporciona un recinto seguro para confinamientode material eventualmente contaminado que, ensu posición bajo capas de sedimentos, no ofrece peligro pero que, al ser dragado nuevamente, podría ponerse en suspensión e iniciar un procesode bio-acumulación en la cadena trófica.

3.2 Recomendaciones constructivas

En el caso del Río Juramento en la zona bajoestudio, tal como se ha expresado en las secciones previas de este informe, se han identificado tressegmentos del curso fluvial en los cuales seobservan marcados procesos de erosión de lamargen izquierda del mismo.

En este caso, la propuesta consiste en disponerlongitudinalmente líneas de geotubos a los efectosde reconstruir la margen erosionada con un taludgeotécnicamente estable de modo que loselementos se dispongan cubriendo totalmente laaltura activa de la margen erodada. Con ello, seconsigue estabilizar el talud frente a la acción

hidrodinámica del flujo en futuras crecidas de


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magnitud comparable a la acontecida en marzo de2011. A continuación se muestra una secuenciade dos fotografías que ilustran el concepto de estatipología de protección en una representación dela situación previa y la situación posterior luego

de la actuación ingenieril.

Figura 10. Acción de los georubos: (a) Estado de unamargen erosionada por acción combinada del flujo yefectos geotécnicos; (b) Margen reconstruidaconformada por líneas de geotubos delineando un taludestable y resistente a la acción erosiva de la corriente.

En la primer fotografía se presenta el estado queexhibe una margen erosionada por accióncombinada del flujo y efectos geotécnicos. Puedeobservarse en este caso que las tipologías de los procesos erosivos son similares a los observadosen el Río Juramento en el tramo en estudio. En laimagen de la derecha se muestra la margenreconstruida conformada por líneas de geotubos

delineando un talud estable y resistente a laacción erosiva de la corriente.

Figura 11. Ilustración (simulada) del esquema decolocación de los geotubos para proteger la margenafectada.

En la Figura 11 se muestra la forma en quequedaría la protección una vez ejecutada y puestaen operación. En este caso se muestran tres líneasde geotubos, pero debe entenderse que los mismose prolongan en el sector inferior de la margen,ubicándose la última línea a nivel de la base deltalud, colocada sobre el lecho fluvial. El esquematambién indica la yuxta-posición de los elementos para conseguir un efecto de imbricación de los

mismos a fin de garantizar la estabilidad del

conjunto. Puede apreciarse en esta fotografía,sobre el plano frontal de la misma, la manera enla cual se acomodan los elementos y también seobserva la lave pendiente transversal hacia elexterior de la margen que es necesario conferirle

al eje mayor del geotubo, a fin de contribuir a laestabilidad de los mismos. Cuando el geotubocomienza a operar la sección transversal(inicialmente elíptica) adquiere una formaachatada luego de la consolidación por efectogravitatorio. En el esquema de la figura siguientese muestra con un mayor nivel de detalle eseefecto y se indican las dimensiones a tener encuenta, es decir, el ancho efectivo (WGT), la alturaefectiva (HGT) y el ancho a nivel de base (Ba).También se presenta la altura inicial (h0) y eldescenso por consolidación (h).

Figura 12. (a) Sección transversal de un geotuboindividual, con las dimensiones características; (b)Sección longitudinal de un geotubo individual, con lasdimensiones características.

Teniendo en cuenta los esquemas y definiciones presentados previamente, se procedió al diseño dela protección con geotubos para el caso del tramode Río Juramento cuya margen izquierda resultacolindante con el predio de IJSA.

Figura 13. Esquema propuesto para la protección congeotubos de la margen izquierda del Río Juramento.

En el esquema previo se muestra la disposicióngenérica adoptada para un sector en el que laaltura representativa de la margen es del orden de

3,00 metros. En la sección de modelación


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hidráulica del río con HEC-RAS pudo observarseque hay otros sectores con alturas mayores. Noobstante, este esquema general es extrapolable aesos sectores incrementando el número de líneasde geotubos NLGT (en este caso: NLGT = 5).

4 CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado una serie deanálisis de procesos fluvio-morfológicos, estudioshidrológicos en un tramo del Río Juramento en la provincia de Salta. Estos estudios básicos permitieron tipificar los procesos dominantes encuanto al comportamiento del río en un sectorsituado aguas debajo de la Presa El Tunal. Seencontró que el curso fluvial exhibe en ese tramoun patrón de alineamiento en planta altamentemeandriforme y ha desarrollado recientemente procesos evolutivos altamente dinámicos enrespuesta a crecidas de envergadura,caracterizados por erosiones de márgenes,migraciones y cortas de meandros, afectandoamplias superficies del territorio con actividades productivas. Mediante la aplicación de un modelohidráulico de uso extensivo en ingenieríahidráulica (HEC-RAS) se pudieron simulardiversos escenarios de comportamiento del río ensituaciones de crecida, a partir de los cuales seestimaron cuantitativamente parámetros de diseño para las soluciones ingenieriles destinadas alcontrol y mitigación de los efectos indeseados producidos por los procesos de erosión demárgenes. Se diseñaron protecciones flexiblesusando sistemas de geotubos que se consideranconvenientes y, a la vez, ambientalmenteamigables para el caso estudiado.

R EFERENCIAS

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