Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 146, ENERO-FEBRERO 2014, artículo 2
Modelación hidráulica de estabilidad de las estructuras para el reforzamiento del empotramiento de la escollera norte de Tecolutla, Ver.
MONTOYA Miguel, ÁVILA Dora y PORRES Adriana

Introducción

Los fenómenos meteorológicos que han acontecido recientemente han repercutido en el Municipio de Tecolutla, Veracruz, ocasionando una fuerte  erosión en la zona del empotramiento de la escollera norte de la desembocadura del Río Tecolutla, existiendo el peligro latente de que en una avenida extraordinaria del río, la escollera pueda ser separada de la playa norte y el daño a la misma sea mayor. De acuerdo con lo anterior la Dirección General de Puertos solicitó al Instituto Mexicano del Transporte la realización del estudio para determinar el proyecto ejecutivo de reforzamiento del empotramiento de la escollera norte.

Este artículo pretende aportar información referente a la metodología para realizar el modelo físico de estabilidad bidimensional en el canal de olas angosto del Instituto Mexicano del Transporte, el cual nos permitirá conocer la estabilidad de las secciones transversales diseñadas para reforzar el empotramiento de la escollera norte de Tecolutla, Veracruz y así definir el proyecto ejecutivo que mitigue los efectos de la erosión.

La modelación física de fenómenos hidráulicos, unida al desarrollo de instrumentos de medición (sensores) y equipos generadores de oleaje, permite predecir con alto grado de certidumbre lo que pueda ocurrir en el prototipo y, por tanto, se obtienen óptimos resultados en los aspectos de funcionalidad, estabilidad y economía de las estructuras a construir.

Metodología para la realización del proyecto

Las modelaciones numéricas y las modelaciones físicas se complementan para establecer una metodología de investigación sobre las variables que intervienen para verificar la validez de las  soluciones propuestas. Esta metodología se describe a continuación:

Medición de Corrientes

El IMT realizó una campaña de medición de corrientes, de las cuales  se obtuvieron los datos necesarios para la calibración del modelo numérico, de los resultados de estas mediciones se obtuvo que la velocidad de la corriente litoral más frecuente está comprendida entre 0.2 y 0.3 m/seg.

Caracterización de oleaje normal y extremal

Se analizó la información que el IMT recopila mediante la Red Nacional de Estaciones Meteorológicas y Oceanográficas (RENEOM), y del Atlas de Oleaje Oceánico Mexicano (ATLOOM), mismo que fue diseñado en el año 2004 en la División de Ingeniería de Puertos y Costas, para definir las condiciones del oleaje normal y extremal que se presenta en los litorales nacionales[1], determinando:

 (a)      Clima normal del oleaje

Del análisis estadístico realizado del oleaje normal en el régimen anual a través del ATLOOM, se obtuvieron las alturas de ola significantes y períodos pico del oleaje, correspondientes a cada una de las direcciones consideradas, tal como se muestran en la tabla 1.

DIRECCION

TP

(seg.)

H1/3

(m)

TIEMPO DE ACCION  (Días)

PORCENTAJE DE ACCION   (%)

NORTE

5.10

1.18

36.35

9.96

N 22.5° E

7.32

1.62

28.43

7.79

N 45° E

7.12

1.09

45.08

12.35

N 67.5° E

6.39

1.01

132.39

36.27

ESTE

5.56

0.90

122.75

33.63

Tabla 1 Resumen del clima normal anual del oleaje.

(b)       Clima extremal del oleaje

Para determinar las características del oleaje extremal  a través del análisis del ATLOOM,  se definió la altura de ola para los eventos de tormenta, se generó un filtrado de la base de datos para obtener  las funciones de distribución extremal.  Del análisis de las distribuciones, se seleccionó la de mejor ajuste, cuyo error es del margen de 1.75, por lo que en la siguiente tabla 2 se muestran las alturas de ola significante y períodos pico asociados a periodos de retorno de 5, 10, 25, 50 y 100 años, para condiciones extremales.

PERIODO DE RETORNO “Tr

(Años)

CONDICIONES DE TORMENTA

H1/3  (m)

Tp   (seg.)

5

3.99

8.79

10

4.36

9.19

20

4.79

9.63

50

5.10

10.75

100

5.39

10.21

Tabla 2  Datos del clima extremal del oleaje obtenidos del análisis del ATLOOM.

Cálculo de la sobreelevación del nivel del mar

El cálculo de la sobreelevación del nivel del mar por marea de tormenta, se realizó utilizando el método estadístico para el Golfo de México, desarrollado por Rolando Springall, y para el cual se retomó el análisis del ATLOOM.  De acuerdo con lo antes señalado, se determinaron las condiciones del oleaje extremal en las que determina que la sobreelevación del nivel del mar respecto al nivel de bajamar media es de 3.07 metros [1].

Planteamiento de alternativas de obras de protección

Derivado del comportamiento de la erosión que prevalece en la zona de estudio, se planteó reforzar el empotramiento con una una de protección marginal en el arranque de la escollera norte y aumentar la elevación de la corona existente,  Se plantearon y estudiaron 8 alternativas, con diferentes condiciones de oleaje y diferente composición de la estructura, a continuación se muestran las secciones tipo que fueron ensayadas;

Sección 1.   Sección transversal con 4 metros de ancho de corona a una elevación +3.20 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a de cubos ranurados de 2.0 toneladas de peso,  (Ver fig. 1).

fig.1

Sección 2.   Sección transversal con 4 metros de ancho de la corona a una elevación +3.65 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de elementos Bari de 1.0 tonelada de peso, (Ver fig. 2).

fig.2

Sección 3. Sección transversal con corona abierta a una elevación +4.20 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de cubos ranurados de 2.0 toneladas de peso.  La corona de la capa secundaria esta reforzada con material de 400 a 600 kilogramos, (Ver fig. 3).

fig.3

Sección 4. Sección transversal con corona abierta a una elevación +4.20 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de elementos rompeolas Bari de 1.0 tonelada de peso. La corona de la capa secundaria esta reforzada con material de 400 a 600 kilogramos, (Ver fig. 4).

fig.4

Sección 5. Sección transversal con corona cerrada a una elevación +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de cubos ranurados de 2.0 toneladas de peso, (Ver fig. 5).

fig.5

Sección 6. Sección transversal con corona cerrada a una elevación +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de elementos rompeolas Bari de 1.0 tonelada de peso, (Ver fig. 6).

fig.6

Sección 7. Sección transversal con corona cerrada a una elevación +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de cubos ranurados de 2.0 toneladas de peso y corona cerrada con roca de 600 a 900 kilogramos, (Ver fig. 7).

fig.7

Sección 8. Sección transversal con corona cerrada a una elevación +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media, coraza a base de elementos rompeolas Bari de 1.0 tonelada de peso y corona cerrada con roca de 600 a 900 kilogramos, (Ver fig. 8).

fig.8

Modelación numérica de la refracción del oleaje normal y extremal

La refracción del oleaje se puede definir como el efecto que produce el fondo en el movimiento de las partículas de agua, debido al efecto de fricción, mismo que provoca una reducción en la velocidad de propagación y en la longitud de onda. Para realizar la modelación numérica de la refracción del oleaje, se tomó como base la información batimétrica reciente para crear archivos de profundidades de la zona de estudio. Para tal efecto, se definieron las mallas de cálculo con las profundidades correspondientes, y así  llevar a cabo la modelación numérica a través del programa Mike 21.

En los resultados obtenidos de la refracción del oleaje para las condiciones actuales, se presentan las alturas de ola refractadas en la zona del empotramiento de la escollera norte para cada dirección analizada, donde detectamos que las direcciones N22.5°E y N45°E son las de mayores alturas de ola cercanas al empotramiento, alrededor de los 60 centímetros en condiciones normales de oleaje (Ver Fig.9). Mientras que la dirección más desfavorable en condiciones de oleaje extremal para los periodos y alturas de ola estimados del ATLOOM es la dirección Este, con alturas del orden de los 2.50 metros (Ver Fig.10).

Fig. 9   Representación vectorial de las alturas de ola máximas con oleaje normal para la dirección N 45° E, cercanas al empotramiento de la escollera norte.

Fig. 10 Representación vectorial de las alturas de ola máximas con oleaje extremal para la dirección Este, cercanas al empotramiento de la escollera norte.

Tomando en cuenta estos análisis, es como se definen las condiciones para la modelación física de las secciones transversales de la estructura de protección para el reforzamiento del empotramiento de la escollera norte de la Tecolutla, Veracruz.

Modelación hidráulica

Algunos fenómenos dentro del campo de la hidráulica son tan complejos que no es fácil tratarlos únicamente con modelos numéricos. Por lo anterior es conveniente recurrir al empleo de técnicas experimentales, como herramienta en la obtención de soluciones prácticas, aplicadas a problemas de obras hidráulicas en general.  En hidráulica, el término modelo corresponde a un sistema que simula un objeto real llamado prototipo, mediante la información de las condiciones físicas y matemáticas que se emplean en el diseño y operación de la obra de protección. Una de las aplicaciones más comunes en el modelo físico es la determinación de la estabilidad de estructuras sujetas a la acción del oleaje.

Los modelos hidráulicos de estabilidad consisten en someter a la estructura a diferentes alturas de ola  y un mismo periodo. Cada prueba consta de varios ensayos en los que se va incrementando la altura de la ola, se inicia con olas que están por debajo de la altura de ola de diseño y en cada ensayo se aumenta hasta llegar a una altura de ola máxima. De tal manera que se somete a la estructura a las condiciones más críticas para su estabilidad; donde se puede observar el número de elementos desplazados en cada uno de los ensayos y el daño acumulado que se presenta conforme se aumenta la intensidad del oleaje.

Diseño de estructuras de protección

Las secciones transversales para el  modelo hidráulico de estabilidad estructural realizado en canal de olas, constan de tres capas de material, cuyos pesos y  geometría se obtuvieron a partir de la fórmula de Hudson [5], la cual se expresa en la ecuación (1):

                                                     (1)

Donde:

P    es el peso de los  elementos de coraza (ton)

Hd  es la altura de ola de diseño (m)

gs    es el peso específico del material de los elementos de coraza  (ton)

Sr   es la densidad relativa del material

a.-  es el ángulo del talud con respecto a la horizontal (°)

Selección de escalas

La selección de la escala del modelo se determinó en función de la magnitud de las olas a representar en el modelo, las características de los equipos de generación y medición de oleaje, por lo que de acuerdo con lo anterior, se seleccionó una escala de líneas de 1/27. De acuerdo a la escala de líneas seleccionada se deben de representar en el modelo hidráulico las condiciones geométricas, cinemáticas y dinámicas del fenómeno hidráulico en el prototipo, por lo que la Ley de Similitud a utilizar será la de Froude [4].  El número de Froude F2 se define como la ecuación (2):

                                                                                                                           (2)

Dónde:

              V:      Es la velocidad,

  g:       La aceleración de la gravedad.

  L:      La longitud característica,

La condición que deberá cumplirse se muestra en la ecuación (3), donde los subíndice m y p significan modelo y prototipo, respectivamente.

                                                                               (3)

Programa de trabajo de las pruebas experimentales

El programa de trabajo de las pruebas experimentales se realizó de acuerdo con las características del oleaje que se presentan a continuación, para cada una de las alternativas planteadas anteriormente  (Ver Tabla 4 y 5).

SECCIÓN

PERIODO         (seg)

ALTURA DE OLA             (m)

A BASE DE CORAZA DE CUBO RANURADO

10.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

12.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

14.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

Tabla 4  Programa de ensayos realizados para las secciones con coraza a base de cubos ranurados

 

SECCIÓN

PERIODO         (seg)

ALTURA DE OLA             (m)

A BASE DE CORAZA DE ELEMENTO BARI

10.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

12.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

14.00

1.5, 2.00, 2.50, 3.00

Tabla 5  Programa de ensayos realizados para las secciones con coraza a base de elementos rompeolas Bari

 

Operación del modelo hidráulico

El modelo físico se construyó en el canal de olas, este  mide 50 m de largo, 0.60 m de ancho y 1.20 m de profundidad, en el cual se coloca la sección transversal a una distancia aproximada de 25 metros del generador de olaje.  Para la operación del modelo hidráulico se utiliza una computadora en la cual se genera un archivo de señales digitales de oleaje irregular basadas en un espectro tipo Bretschneider-Mitsuyasu. Estos datos se convierten a datos analógicos (variaciones de voltaje) y se envían a un generador de oleaje tipo pistón, como se indica en la figura 11.

Descripción: IMG_0590

Fotografía 1.  Ubicación de los sensores medidores de oleaje en el modelo de estabilidad.

Figura 11.  Sistema utilizado para la generación, medición y análisis de oleaje.

En la medición de la altura de la ola para el modelo hidráulico desarrollado en el canal de olas se utilizaron dos sensores de oleaje tipo capacitivo de ±5 volts de resolución, colocados, el primero a una distancia de 1.5 veces la longitud de la ola frente a la estructura y el segundo 0.50 metros delante del primero, esto con objeto de medir la altura de la ola incidente y reflejada (Ver fotografía 1)

Cuantificación del daño sobre la estructura.

Con objeto de determinar la estabilidad de la sección de empotramiento sujeta al oleaje, en el modelo hidráulico se determinaron los daños ocurridos con la siguiente metodología:

·           Se somete a la sección transversal a la acción del oleaje, con alturas de olas que se van incrementando por arriba de la altura de la ola de diseño, Cuando la altura de la ola es de un valor determinado, tal que en la estructura se  presenta desplazamiento de las piezas de la coraza, entonces decimos que la estructura presenta daño.

·           No se modifica la sección al cambiar la altura de ola, de tal manera que los daños se determinen inicialmente por el número de elementos de la coraza desplazados por los oleajes precedentes, en un lapso equivalente a 24 horas en prototipo.

·           Se calcula el porcentaje de daños en la sección transversal en estudio, dada por el número de bloques desplazados, que se define mediante la siguiente ecuación:   

D = (n/N)*100

Donde,

                D es el porcentaje de daño de la estructura modelada

                 N es el número total de elementos colocados en la coraza

                n es el número de elementos de coraza desplazados

·           Se repite el mismo procedimiento para diferentes tipos de trenes de oleaje.

Proyecto ejecutivo

Derivado de los análisis realizados se definió el proyecto ejecutivo como se muestra en la Fig. 12 con una protección marginal que permitirá reforzar 115 metros del arranque de la escollera, a base de material de coraza de elemento rompeolas Bari de 1.0 tonelada, con una elevación de corona de 4.60 metros sobre el nivel del mar.

Figura 12.  Planta de proyecto ejecutivo de reforzamiento.

 

 

 

 

 

Conclusiones

Una vez que se analizaron los resultados de estabilidad de las secciones transversales propuestas, se  determinaron las  alternativas y los resultados de los ensayos que presentaron mayor estabilidad y funcionalidad, para conformar la estructura de protección del empotramiento, de las cuales las más estables se definen como sigue;

  • Sección transversal a base de cubos ranurados de 2.0 toneladas con la corona cerrada con roca de 600 a 900 kilogramos (Ver Fig. 7), con elevación de corona de +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media. Durante los ensayos presento daños estructurales del orden del 0.75%, tal como se muestra en el Fig. 13.
  • Sección transversal con coraza a base de elementos rompeolas Bari de 1.0  tonelada con la corona cerrada con roca de 600 a 900 kilogramos (Ver Fig. 8),  con elevación de corona de +4.60 metros sobre el nivel de bajamar media, fue sometida  a oleaje de tormenta con periodos de 10.0, 12.0 y 14.0 segundos, y no presento daño, tal como se muestra en la Fig. 14.

Fig. 13    Resultados  de  estabilidad de la sección empotramiento para la alternativa 7 [1],   con periodo 12.0 segundos y con nivel de tormenta.

Fig. 14    Resultados de estabilidad de la sección empotramiento para la alternativa 8  [1], con periodo 12.0 segundos y con nivel de tormenta.


Referencias bibliográficas

[1]   Ávila A., Dora Luz, Montoya R., José Miguel, et al. ”Proyecto de reforzamiento del empotramiento de la escollera Norte de Tecolutla, Ver”, 2007

[2]    Duarte Q., Pablo, Montoya R., José Miguel, et al. “Atlas de Oleaje Oceánico Mexicano (ATLOOM)”, División de Puertos y Costas 2004.

[3]    Springall, R.; “Manual elemental de Hidráulica Marítima”; Facultad de Ingeniería de la UNAM. 1970

[4]    Streeter, V. L.; “Mecánica de Fluidos”, McGraw-Hill. México.1996

[5]    Ven T. Chow y L. W. Mays; “Hidrología Aplicada”; Ed. McGraw Hill. 1977

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