DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final Revisión B Peñaflor, Región Metropolitana Agosto 2019 Mandante: DIRECCIÓN DE OBRAS HIDRÁULICAS Estudio: Fecha: Informe Final 08 de Agosto de 2019 Equipo de Trabajo: Jaime Cotroneo (JC) Ing. Civil, mención Hidráulica, MSc. Gonzalo Montserrat (GM) Ing. Civil, mención Hidráulica, MSc. Rodrigo Herrera (RH) Ing. Civil, mención Hidráulica, Jefe de Modelación F́ısica Marcos Diaz (MD) Geomensor, Jefe de Operaciones Luis Esquivel (LE) Dibujante Tecnico Aprobado por: Francisco Ulloa (FU) Jefe Unidad de Ingenieŕıa y Desarrollo Scarlett Vasquez (SV) Jefa Unidad Técnica Revisor mandante: Alexis Quiroz (AQ) IF, Ing. Civil Rev. Descripción Por Revisó V oBo Fecha A Informe para revisión IF JC GM FU SV 12/11/2018 B Informe Corregido según Obs IF JC GM FU SV 08/08/2019 Clasificación: Informe Etapa Final RevB MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB ii Índice 1. Introducción 1 1.1. Descripción de la zona de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2. Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Alcances del Estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Antecedentes del Estudio 7 2.1. Eventos Aluvionales en la Quebrada de Macul y sus Alrededores Previos al Aluvión de 1993 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1. Antecedentes Aluvión de 1993 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2. Hidroloǵıa del Lugar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Factores Meteorológicos Incidentes en la Ocurrencia de Aluviones . . . . . . . 16 2.2.2. Análisis Hidrológico de Crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Caudales de Detritos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3. Diseño de obras de desv́ıo del flujo aluvional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4. Geoloǵıa y Geomorfoloǵıa de la Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.1. Estudio Geológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2. Estudio Geomorfológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5. Modelo Numérico Existente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6. Modelos F́ısicos Existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6.1. Modelos a Escala Reducida con Fines de Investigación . . . . . . . . . . . . . 34 2.6.2. Modelos a Escala Reducida Aplicado a Estudios de Ingenieŕıa Civil . . . . . . 39 3. Trabajos de Terreno 43 3.1. Topograf́ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2. Granulometŕıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2.1. Calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.1.1. Distribución de Calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.1.2. Distribución de Sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.1.3. Diámetros Equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.2. Granulometŕıa Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.3. Contenido de limos y arcillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4. Hidráulica de Aluviones 51 4.1. Análisis dimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2. Caracterización mecánica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) . . . . . . 57 4.3. Clasificación dinámica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) . . . . . . . . 58 5. Clasificación Aluviones Quebrada de Macul 61 5.1. Contenido de Finos y Viscosidad Fluido Intersticial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Clasificación de aluviones en la Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB iii 6. Escala Modelo F́ısico 64 6.1. Efectos de Escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2. Reoloǵıa Fluido Intersticial en Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3. Modelo F́ısico 0: Canal de Generación del Aluvión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4. Escalamiento modelo f́ısico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.4.1. Escalamiento de la Curva Granulométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 7. Maqueta Conceptual: Definición de Obra de Desv́ıo 70 7.1. Descripción Alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.2. Resultados y Análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 8. Ensayo de Pulso Aluvional y Diagnóstico de Alternativa Seleccionada en Modelo F́ısico Escala 1:50 74 8.1. Instalación Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.1.1. Metodoloǵıa Ensayos Modelo F́ısico 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.1.2. Conjunto de Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.2. Análisis de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.2.1. Ensayos doble pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.3. Diagnóstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9. Ensayo y Diagnóstico en Modificaciones del Modelo F́ısico Escala 1:50 90 9.1. Modificación 1, Apertura Ribera Sur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 9.2. Modificación 2 y 3, variación del número de pilares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.3. Modificación 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.4. Resumen Modificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 9.5. Análisis de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 9.6. Obra de Desv́ıo Escogida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10.Estudio de Presa de Abertura Vertical en Hondonada 99 10.1. Modelo F́ısico ”Slit Dam”Hondonada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 10.2. Resultados Obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 11.Evaluación del Funcionamiento del Sistema Completo (Obra de Desv́ıo, Decan- tadores y Hondonada) con Fluido Equivalente en Modelo F́ısico a Escala 1:50 104 11.1. Puesta en Marcha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.2. Ensayos Crecidas Ĺıquidas (sólo agua) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 11.3. Ensayos Crecidas Detŕıticas (Fluido Equivalente Agua-Bentonita) . . . . . . . . . . . 112 11.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.Análisis de Velocidades 120 12.1. Peralte en Curva Obra de Desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 12.2. Zona Apertura Vertedero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB iv 13.Dimensionamiento de Obras 124 13.1. Obra de Desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 13.1.1. Revestimiento y Enrocados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 13.2. Zona Vertedero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 13.3. Zona Hondonada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 13.4. Fuerza de Impacto sobre Obra de Desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 14.Conclusiones 128 ANEXOS 130 A. Estudio Geológico A-2 A.1. Unidades de Roca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3 A.2. Unidades de Suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-4 B. Levantamiento Topográfico B-2 B.1. Metodoloǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-2 B.1.1. Vinculación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-2 B.1.2. Levantamiento Topográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3 B.1.3. Levantamiento Aerofotogramétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3 B.1.4. Planificación de Vuelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3 B.1.5. Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestre . . . . . . . . . . B-4 B.2. Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4 B.2.1. Vinculación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4 B.2.2. Levantamientos Topográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-5 B.2.2.1. Levantamiento Aerofotogramétrico con UAS . . . . . . . . . . . . . B-5 B.2.3. Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestres . . . . . . . . . . B-6 B.2.4. Vuelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-9 B.3. Levantamiento Topográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-9 B.4. Vuelos Aerofotogrametricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-10 B.5. Entregables de Levantamiento Aéreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13 B.5.1. Nube de Puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13 B.5.2. OrtoMosaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13 B.6. Sistema UAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14 B.7. Trimble UX5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14 B.7.1. Funcionamiento General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14 B.7.2. Cámara Digital para Imágenes de Alta Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14 B.7.3. Especificaciones de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-15 B.7.4. Puntos de Control Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-16 B.7.5. Software de Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-16 B.8. Sistema GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-17 B.8.1. GNSS Tiempo Real (RTK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-17 B.8.2. Equipos GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-18 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB v C. Granulometŕıas C-2 C.0.1. Calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2 C.0.1.1. Distribución de Calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2 C.0.1.2. Distribución de Sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3 C.0.1.3. Diámetros Equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7 C.0.2. Granulometŕıa Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7 D. Salida a Terreno para Determinación de Limos y Arcillas D-2 D.1. Curva granulométrica terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-4 E. Reoloǵıa del fluido intersticial E-2 F. Modelo 0: Canal de Generación Flujo Aluvional F-2 F.1. Historia de los Modelo 0 V1 a V4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-4 G. Diseño y Instalación Experimental de la Maqueta Conceptual G-2 G.1. Diseño Vertedero lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-2 G.1.1. Caracteŕısticas generales del diseño de un vertedero lateral . . . . . . . . . . G-2 G.1.2. Diseño Vertedero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-3 G.2. Diseño Alternativas propuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-5 G.2.1. Alternativa 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-5 G.2.2. Alternativa 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-5 G.3. Instalación Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-8 G.3.1. Montaje Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-8 G.3.2. Instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-13 G.3.2.1. Camáras fotográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-13 G.3.2.2. Sensores ultrasónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-14 G.3.3. Técnicas de Medición de Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-14 G.3.3.1. Velocidad por PIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-14 G.4. Metodoloǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-15 G.4.1. Metodoloǵıa Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-15 H. Construcción Modelo F́ısico escala 1 a 50 H-2 H.1. Proyecto de Construcción del modelo a escala reducida . . . . . . . . . . . . . . . . . H-2 H.2. Informe de Avance de la Construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H-3 H.2.1. Obra gruesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H-3 H.2.2. Canal Aluvional y Estructura Metálica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H-6 I. Instalación, Metodoloǵıa y Ensayos Modelo F́ısico escala 1:50 I-2 I.1. Instalación Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-2 I.1.1. Sistema de preparación del material detŕıtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-3 I.1.2. Estanque de mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-4 I.1.3. Canal de generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-5 I.1.4. Decantadores n◦1, 2, 3, 4, 5 y Hondonada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-6 I.1.5. Obra de desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-7 I.1.6. Estanque receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-9 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB vi I.1.7. Sistema de Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-10 I.1.7.1. Camáras fotográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-10 I.1.7.2. Sensores ultrasónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-11 I.1.8. Técnicas de Medición de Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-12 I.2. Puesta en Marcha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-14 I.3. Verificación y Validez Volumen Descargado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-17 I.3.1. Ensayo Volumen 0.6 m3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-17 I.3.2. Ensayo Volumen 0.4 m3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-19 I.3.3. Ensayo Volumen 0.4 m3, Segundo intento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-21 I.4. Metodoloǵıa Experimental y Set de Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-24 I.4.1. Metodoloǵıa Ensayos Modelo F́ısico 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-24 I.4.2. Set de Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-25 I.5. Ensayos, Modelo F́ısico 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-25 I.5.1. Ensayo Cp7Cv38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-26 I.5.2. Ensayo Cp8Cv38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-27 I.5.3. Ensayo Cp10Cv38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-28 I.5.4. Ensayo Cp7Cv45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-29 I.5.5. Ensayo Cp8Cv45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-30 I.5.6. Ensayo Cp10Cv45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-31 I.5.7. Ensayo Cp7Cv50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-32 I.5.8. Ensayo Cp8Cv50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-33 I.5.9. Ensayo Cp10Cv50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-34 J. Diseño Hidráulico de Obra de Desv́ıo J-2 J.1. Socavación por Curvatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-3 J.2. Socavación Local en Pilares Obra de Desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-4 J.2.1. Laursen-Toch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-5 J.2.2. Breusers, Nicollet y Shen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-5 J.2.3. Envolvente de Datos Experimentales de Diversos Autores (EDE) . . . . . . . J-5 J.2.4. Relación de Richardson, Fr > 0.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-5 J.3. Jain y Fisher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-5 J.4. Socavación General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-7 J.5. Socavación Total Obra de Desv́ıo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-8 J.6. Fuerza de Impacto sobre Estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-8 J.7. Protección de Enrocados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-12 J.7.1. Enrocado Fondo Vertedero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-13 J.7.1.1. Formula Frizell et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-14 J.7.1.2. Formulación Hartung y Schenerlein . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-17 J.7.1.3. Formulación Isbash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-17 J.7.1.4. Formulación Neil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-18 J.7.2. Enrocado Fondo Decantador 1 y zona Obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-19 J.7.3. Enrocado Talud Sur de la Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-19 J.7.4. Enrocado zona rectificada Decantador 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-21 J.7.5. Socavación Enrocado rectificada Decantador 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . J-21 J.7.6. Socavación Enrocado Vertedero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-22 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB vii Índice de figuras 1. Zona de Estudio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. (a) Decantador No1 (b) Decantador No2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3. Zona de la Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4. (a) Vista aérea de la zona de interés donde se pueden observar los decantadores dispuestos para la contención parcial del flujo, (b) vista al poniente de un decantador en la Quebrada de Macul tomada el 28/10/2011 y (c) bloque arrastrado por algún aluvión anterior (imágenes extráıdas de Garrido, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . 12 5. Imágenes de 1993 capturadas por TVN (Garrido, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . 15 6. (a) Presa de Control; (b) Presa abertura; (c) Presa abertura rectangular; (d) Pantalla de infiltración de fondo; (e) Presa de grilla (Lien 2003). . . . . . . . . . . . . . . . . 20 7. Retención en función del L/Dmax. Ángulo del canal, 17o (Lin et al., 1997). . . . . . 21 8. Mapa geológico Quebrada de Macul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 9. Mapa de pendientes en la Quebrada de Macul, Martinez (2009). . . . . . . . . . . . 25 10. Mapa de exposición de las laderas en la Quebrada de Macul, Martinez (2009). . . . . 26 11. Indice de Suceptibilidad (IS) de ocurrencia de flujos de detritos, Martinez (2009). . . 28 12. Indice de Suceptibilidad (IS) deslizamiento de suelos, Martinez (2009). . . . . . . . . 29 13. Indice de Suceptibilidad (IS) deslizamientos de rocas, Martinez (2009). . . . . . . . . 30 14. Indice de Suceptibilidad (IS) caida de rocas, Martinez (2009). . . . . . . . . . . . . . 31 15. Modelo númerico GEOTEST(2018) para un aluvión de periodo de retorno de 100 años. 33 16. Vista General del Canal.(Iverson 1997; Iverson et al. 1999). . . . . . . . . . . . . . . 35 17. (a)Esquema del perfil longitudinal del canal con el depósito de mezcla, (b) Vista del frente del flujo de detritos una vez que este llega a la zona de deposición, (c) Imágenes capturadas por una cámara ubicada sobre el flujo. (Iverson 1997; Iverson et al. 1999). 35 18. (a) Dispositivo experimental usado para pruebas de flujos de mezclas de lodo donde el control de descarga se hace como si se tratase de un rompimiento de presa y (b) dispositivo experimental donde el control de descarga se hace a través de un angostamiento de la sección de entrada (Laigle, 1998). . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 19. Dispositivo experimental usado por Pudasaini et al (2005) . . . . . . . . . . . . . . . 37 20. (a)Sistema de descarga puntual (dam break), (b) Vista del frente de la avalancha monitoreado en distintas posiciones y (c) Vista de la avalancha de bolas de ping- pong (McElwaine & Mishimura, 1998; 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 21. Vistas del sistema de alimentación granulométrico (izq) y comportamiento del flujo frente a la edificación (der). Extraido de Couvert & Lefebure (1994). . . . . . . . . . 39 22. Vistas del sistema de alimentación granulométrico (izq) y comportamiento del flujo frente a la edificación (der). Extraido de Couvert & Lefebure (1994). . . . . . . . . . 40 23. (a) y (b) vista de los depósitos del flujo torrencial donde se puede apreciar la composi- ción heterogénea de materiales granulares posibles de ensayar en el modelo. Extraido de Couvert & Lefebure (1994). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 24. Vista en planta y longitudinal del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 25. (a) Vista en planta del modelo y (b) comportamiento de obras de canalización de transporte de fondo una vez que estos se depositan. Extraido de Couvert & Lefebure (1994). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB viii 26. Levantamiento topográfico del cauce de la Quebrada de Macul mediante perfiles transversales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 27. Dron Trimble UX5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 28. Levantamiento aerofotográfico. a) Curvas de nivel. b) Mosaico de fotos ortogonaliza- das tomadas por el dron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 29. Calicatas en terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 30. Ubicación de calicatas en terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 31. Curvas granulométricas muestreo superficial en zonas 1 a 5. . . . . . . . . . . . . . . 48 32. Curvas granulométricas muestreo superficial final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 33. Curva granulométrica obtenida de la barra presente en el cauce donde se evidenciaron vestigios de aluviones anteriores. Los sedimentos analizados solo corresponden a la matriz, es decir a las part́ıculas más finas y no a los grandes bloques. . . . . . . . . . 50 34. Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. . . . . . . . . . . 50 35. Coeficiente de fricción equivalente para distintos tipos de flujos y remociones en masas, deslizamientos, flujos piroclásticos y aluviones. (extráıdo de Takahashi, 2014). 52 36. Relación entre el caudal peak del aluvión y el volumen de sedimentos transportado. Las ecuaciones 1 a 7 corresponden a ecuaciones emṕıricas de distintos autores de la forma Qp = aM3. (extráıdo de Rickenmann, 1999). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 37. Clasificación mecánica de flujos de detritos según Takahashi (2014). . . . . . . . . . 57 38. Clasificación dinámica de los flujos de detritos en el régimen inercial según Takahasi (2014). En este caso “Relative Depth” corresponde a H/dp, τµ equivale a τf y τc a τss. 60 39. Forma t́ıpica de un aluvión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 40. Modelo 0: canal de generación del aluvión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 41. Modelo 0: Esquema canal de generación del aluvión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 42. Curvas granulométricas escaladas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 43. Esquema de Alternativas 1, 2, 3 y 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 44. Esquema de Alternativas 1, 2, 3 y 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 45. Vista frontal instalación experimental. Posee un ancho máximo de 6.8 m y un largo de 20 m sin considerar el canal de generación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 46. Figura esquemática de la instalación experimental del modelo f́ısico escala 1:50. (a) Vista lateral. (b) Vista en Planta. (1): Sistema de preparación del material detŕıtico. (2): Estanque de mezcla. (3): Compuerta de apertura rápida. (4): Canal de genera- ción. (5): Decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5. (6): Obra de desv́ıo. (7): Hondonada. (8): estanque receptor. (9): Sistemas de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 47. Punto de extracción de velocidad máxima y media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 48. Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos correspon- dientes a la concentración agua-bentonita Cp al 7 % p/p. (a) Concentración volumétri- ca del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 49. Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos correspon- dientes a la concentración agua-bentonita Cp al 8 % p/p. (a) Concentración volumétri- ca del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB ix 50. Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos corres- pondientes a la concentración agua-bentonita Cp al 10 % p/p. (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 51. Material depositado al final del ensayo en el decantador 1.(a) Concentración Bento- nita al 8 % y φs = 0.45. (b) Concentración Bentonita al 8 % y φs = 0.50. . . . . . . . 82 52. Secuencia ensayo pulso casi simultáneo. (a) Vista desde Arriba, el punto rojo señala donde se extrajo la velocidad de la Figura 54. (b) Vista desde aguas abajo. (c) Vista desde la obra de desv́ıo. (d) Vista desde el vertedero lateral. . . . . . . . . . . . . . . 83 53. Secuencia ensayo pulsos separados por un ∆t. (a) Vista desde Arriba, el punto rojo señala donde se extrajo la velocidad de la Figura 54. (b) Vista desde el vertedero. (c) Vista desde la obra de desv́ıo. (d) Vista aguas arriba del vertedero lateral. . . . . . . 83 54. Magnitud de la Velocidad en la entrada del decantador 1 (punto rojo en Figuras 52 y 53). (a) Ensayo pulso casi simultáneo. (b) Ensayo separado ∆t. La ĺınea roja representa la media movil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 55. Estado Final del decantador 1. (a) Ensayo pulso simultáneo. (b) Ensayo separado ∆t.La ĺınea roja respresenta el contorno de material depositado que podŕıa eventual- mente disminuir el porcentaje de mateiral que pasa hacia de los decantadores. . . . . 85 56. Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos co- rrespondientes a la concentración con bentonita al 7 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 57. Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos co- rrespondientes a la concentración con bentonita al 8 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 58. Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos corres- pondientes a la concentración con bentonita al 10 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 59. Medidas del ancho del decantador 1 (medidas corresponden a escala modelo f́ısico). . 89 60. Ensayos correspondiente a al Modificación 1. En rojo se señala el desborde y las flechas indican el flujo hacia la Hondonada y al decantador 2. . . . . . . . . . . . . . 90 61. Estados Finales de los ensayo correspondiente a la modificación 1 y su homólogo pre- vio a la modificación (Sección 8). (a) Ensayo Cp8Cv45, en rojo el material depositado en el decantador n◦2 por el desborde y en azul las part́ıculas mas gruesas (ver sección 8), (b) Ensayo Modificación 1, en rojo el material depositado en el decantador 2 por el desborde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 62. Ensayos correspondiente a las Modificaciones 2 y 3 (a) Ensayo Cp8Cv38 modificación 2, (b) Ensayo Cp8Cv38 modificacion 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 63. Ensayos correspondiente a Cp8Cv38 sin modificaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . 92 64. Modificación 4. a) Obra de desv́ıo con dimensiones en prototipo. b) Obra de desv́ıo en ensayo con concentración en peso de mezcla agua bentonita al 8 % y 38 % en volúmen de sólidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 65. Ensayos correspondiente al Cp8Cv38 modificación 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB x 66. Resumen de las modificaciones 1, 2, 3 y 4 realizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 67. El punto rojo corresponde al punto de extracción de la velocidad mostrada en la Figura 68. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 68. Velocidades de los ensayos Cp8Cv38 sin modificación y con la modificaciones 2, 3 y 4. 97 69. Obra de desv́ıo aluvional final con sus dimensiones en prototipo. . . . . . . . . . . . 98 70. Sistema de Pilares (encerrados en amarillo) diseñados por Prisma en la Hondonada en el proyecto original. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 71. Curvas granulometrias en prototipo del material desviado hacia la hondonada de 12 ensayos realizados en el modelo escala 1:50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 72. Modelo f́ısico escala 1:50 presa de apertura vertical o “Slit Dam” en la Hondonada. . 101 73. Estado final del ensayo para curva granulométrica más fina. . . . . . . . . . . . . . . 102 74. Estado final del ensayo para curva granulométrica más gruesa. . . . . . . . . . . . . 102 75. Esquema instalación experimental, sistema de recirculación. Las flechas indican el sentido del flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 76. Puesta en Marcha. Vista desde arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 77. Puesta en Marcha. Acercamiento obra de desv́ıo, en rojo zona por donde pasa el flujo.106 78. Puesta en Marcha. Vista desde arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 79. Zonas cŕıticas observados en la puesta en marcha. (a) Velocidades altas en la zona de la obra de desv́ıo y salida del vertedero a la Hondonada. (b) Confluencia en el Decantador 5 de los flujos que vienen desde la Hondonada y Decantador 4. (c) Desborde en el Decantador 2. (d) Desborde en la ribera Sur en la obra de retención, ubicada en la Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 80. Bosquejo de la Check Dam propuesta a diseñar en la Hondonada. . . . . . . . . . . . 108 81. Esquema instrumentación. Los cuadrados rojos representan las cámaras, los triángu- los negros los limńımetros, los ćırculos azules las reglas y las estrellas verdes los sensores ultrasónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 82. Vista General de los ensayos, en rojo las ubicaciones de las imágenes mostradas en las Figuras 83, 84, 85, 86, 87 y 88. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 83. Ensayo con agua correspondiente al caudal del aluvión de Mayo del 1993. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . . . . 110 84. Ensayo con agua correspondiente al caudal de 100 años de periodo de retorno. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . . 111 85. Ensayo con agua correspondiente al caudal máximo probable. (a) Vista General, . (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . . . . . . . . . . . 112 86. Ensayo con bentonita correspondiente al caudal del aluvión de Mayo del 1993. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . . 113 87. Ensayo con bentonita correspondiente al caudal de 100 años de periodo de retorno. (a) Vista General, (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . 114 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xi 88. Ensayo con bentonita correspondiente al caudal máximo probable. (a) Vista General, . (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. . . . . . . . . . . . 115 89. Comparación en zonas cŕıticas del sistema de obras de control aluvional para el ensayo realizado con agua y los caudales Qmacul, Q100 y Qmax. En sentido descendente, las imagenes muestran la presa del Decantador 1, 5 y Hondonada. . . . . . . . . . . 116 90. Comparación en zonas cŕıticas del sistema de obras de control aluvional para el ensayo realizado con Bentonita y los caudales Qmacul, Q100 y Qmax. En sentido descendente, las imagenes muestran la presa del Decantador 2, 5 y Hondonada. . . . 117 91. Código en python donde se detecta la altura en la curva. . . . . . . . . . . . . . . . . 121 92. Comparación altura Modelo F́ısico y ecuaciones 26 y 27. . . . . . . . . . . . . . . . . 122 93. Ancho en modelo del vertedero según ensayo de pulso descrito en la sección 9.3. . . . 123 94. Ancho en modelo del vertedero según ensayo de crecida de barro descrito en la sección 11.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A-1. Mapa geológico Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3 B-1. Distribución de Vértices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-2 B-2. Distribución tentativa de perfiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3 B-3. Ejemplo de puntos de control terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4 B-4. Preparación de Equipos GNSS-RTK para mediciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . B-5 B-5. Sector Vuelo UAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-6 B-6. Materialización de puntos de control terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-7 B-7. Distribución Teórica de Puntos de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-7 B-8. Medición de punto de control terrestre con GNSS RTK. . . . . . . . . . . . . . . . . B-8 B-9. Puntos de control vuelos Confluencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-8 B-10.Equipo listo para el vuelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-9 B-11.Levantamiento topográfico Quebrada de Macul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-10 B-12.Vuelo Quebrada de Macul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-11 B-13.Información de fotos de vuelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-12 B-14.Curvas de nivel obtenidas a partir de la de nube de puntos. . . . . . . . . . . . . . . B-13 B-15.Ortomosaico Quebrada de Macul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14 C-1. Calicatas en terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2 C-2. Distribución de Calicatas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3 C-3. Calicata C1 0.0-0.05. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Gruesa, con un 7.89 % de Bolón, 88.41 % de grava, 3.14 % de arena y 0.56 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0-0.05 m (Fuente, Elaboración Propia) . . C-4 C-4. Calicata C1 0.005-0.5. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Bolón Grueso, con un 46.21 % de Bolón, 34.79 % de grava, 16.53 % de arena y 2.48 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0.05-0.5 m (Fuente, Elaboración Propia) . C-4 C-5. Calicata C1 0.5-1.0. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Bolón Grueso, con un 46,48 % de Bolón, 37,67 % de grava, 13,49 % de arena y 2,36 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0.5-1.0 m (Fuente, Elaboración Propia) . C-5 C-6. Calicata C2 0.0-0.05. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 69,68 % de grava 28,69 % de arena y 1,63 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Fre- cuencias Muestra No C2 0.0-0.05 m (Fuente, Elaboración Propia) . . . . . . . . . . . C-5 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xii C-7. Calicata C2 0.05-0.2. (a) Gráfico Sedimento clasificado como como Grava Fina, con un 3,19 % de Bolón, 57,27 % de grava, 36,22 % de arena y 3,32 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C2 0.05-0.2 m (Fuente, Elaboración Propia) . . C-6 C-8. Calicata C2 0.2-0.4. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 51,13 % de grava, 45,95 % de arena y 2,92 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Fre- cuencias Muestra No C2 0.2-0.4 m (Fuente, Elaboración Propia) . . . . . . . . . . . C-6 C-9. Calicata C2 0.4-0.6. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 52,46 % de grava, 45,39 % de arena y 2,14 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Fre- cuencias Muestra No C2 0.4-0.6 m (Fuente, Elaboración Propia) . . . . . . . . . . . C-7 C-10.Curvas granulométricas muestreo superficial en zonas 1 a 5. . . . . . . . . . . . . . . C-9 C-11.Curvas granulométricas muestreo superficial final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-9 D-1. Deslizamientos 1 y 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2 D-2. Muestra en la ladera donde se visualizaron vestigios de deslizamientos. . . . . . . . . D-3 D-3. Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. . . . . . . . . . . D-3 D-4. Curva granulométrica obtenida de la barra presente en el cauce donde se evidenciaron vestigios de aluviones anteriores. Los sedimentos analizados solo corresponden a la matriz, es decir a las part́ıculas más finas y no a los grandes bloques. . . . . . . . . . D-4 D-5. Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. . . . . . . . . . . D-5 E-1. Rheometro AntonPaar RheolabQC del departamento de Ingenieŕıa Civil de la Uni- versidad de Chile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-2 E-2. Coeficientes α1, α2, β1 y β2 estimados por Obrien (1988) para muestras de flujos de barro naturales en las Rocallosas cercano a las localidades de Aspen y Glenwood Spring, Colorado, EEUU (a) y para otras relaciones encontrada en la literatura (b). E-3 F-1. Forma t́ıpica de un aluvión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-2 F-2. Esquemas instalación experimental Modelo 0. a) Modelo 0 V1. b) Modelo 0 V2. c) Modelo 0 V3. d) Modelo 0 V4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-3 F-3. Instalación experimental Modelo 0. a) Modelo 0 V1. b) Modelo 0 V2. c) Modelo 0 V3. d) Modelo 0 V4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-3 F-4. Instalación experimental Haas et al. 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-4 F-5. Instalación experimental Iverson 2010. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-5 G-1. Esquema conceptual vertedero lateral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-3 G-2. Curvas Altura de Carga en función del Largo del Vertedero y el Parámetro K. . . . . G-4 G-3. Bosquejo alternativa 1 de las obras en la Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . G-4 G-4. Bosquejo alternativa 1 de las obras en la Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . G-5 G-5. Dimensiones Alternativa 4 en detalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-7 G-6. (a) Vista frontal instalación experimental (b) En rojo zona superior donde se genera el aluvión, en azul zona donde se construyen las obras de desv́ıo (piscina 1),en verde zona de retención del material no desviado (piscina 2) y negro zona de retención del material desviado (hondonada). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-9 G-7. Instalación Experimental, zona superior (generación aluvión). (a) Vista lateral, en rojo estanque de carga y en azul canal. (b) Vista frontal, en rojo estanque de carga y compuerta, en azul canal y en verde zona de transición. . . . . . . . . . . . . . . . G-10 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xiii G-8. Instalación Experimental, zona piscina 1 (zona desv́ıo aluvional). (a) Vista desde ribera derecha, (b) Vista ribera derecha, en rojo zona donde se ubica la presa de retención existente actualmente en la quebrada la cual se mantiene o presa de apertura vertical según la alternativa a estudiar, en azul piscina 1 y en verde zona del vertedero lateral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-11 G-9. Instalación Experimental, vista frontal piscina 2 (zona retención material no desvia- do), en rojo zona donde termina la piscina 1 y en azul donde se ubica la presa de retención presente actualmente en la quebrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-12 G-10.Instalación Experimental, vista frontal hondonada (zona retención material desvia- do). En rojo, vertedero lateral que permite desviar el flujo hacia la hondonada indi- cada en azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-13 G-11.a) Sensor ultrasónico. b) Señal ultrasónica emitida por el sensor. . . . . . . . . . . . G-14 G-12.Ubicación de las cámaras en el Canal. En circulo amarillo se destaca el punto donde se extrajeron las velocidades de los v́ıdeos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-15 H-1. Vista general de los materiales incluidos en modelo f́ısico. . . . . . . . . . . . . . . . H-3 H-2. Detalle de algunas caracteŕısticas de la construcción de la obra gruesa. . . . . . . . . H-4 H-3. Secuencia fotográfica de construcción de la obra gruesa del modelo f́ısico. . . . . . . H-5 H-4. Secuencia fotográfica de construcción de la obra gruesa del modelo f́ısico. . . . . . . H-6 H-5. Detalle de algunas caracteŕısticas de la construcción del canal aluvional. . . . . . . . H-7 I-1. Vista frontal instalación experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-2 I-2. (a)Vista lateral. (b) Vista en Planta. (1): Sistema de preparación del material detŕıti- co. (2): Estanque de mezcla. (3): Compuerta de apertura rápida. (4): Canal de gene- ración. (5): Decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5. (6): Obra de desv́ıo. (7): Hondonada. (8): estanque receptor. (9): Sistemas de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-3 I-3. Sistema de preparación del material detŕıtico. (a) Estanque de 1000 lt y bomba de recirculación para mezcla de agua-bentonita. (b) betonera para mezcla de gravas y arenas con el fluido intersticial creado en el estanque de la figura (a). . . . . . . . . . I-4 I-4. Estanque de mezcla, compuerta y sistema apertura de compuerta rápida. . . . . . . I-5 I-5. Canal de generación flujo aluvional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-6 I-6. Decantadores 1, 2, 3, 4, 5 y Hondonada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-7 I-7. (a) Vista frontal instalación experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-8 I-8. Estanque receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-9 I-9. Ubicación de las cámaras y sensor. (a) Vista en planta. (b) Corte longitudinal AA. . I-10 I-10. Cámaras utilizadas en los ensayos (a) Canon ESO Rebel T3i , (b)Sony Reflex α 57, (c) Sony RX0, (d) Sony Xperia XZ1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-11 I-11. a) Sensor ultrasónico. b) Señal ultrasónica emitida por el sensor. . . . . . . . . . . . I-12 I-12. Ubicación de las cámaras en el Canal. En circulo negro se destaca el punto donde se extrae las velocidades de los v́ıdeos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-13 I-13. Vista desde arriba antes de levantar la compuerta. Se observa la presencia de agua en los decantadores, producto de la filtración en el sellado de la compuerta. . . . . . I-14 I-14. Vista desde arriba después de levantar la compuerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-15 I-15. Estado final de la puesta en marcha. (a) Vista al decantador 1. (b) Vista al desv́ıo a la hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-15 I-16. Fallo en el sistema de izaje. En circulo rojo se señala el sector donde el brazo fallo. . I-16 I-17. (a) Estado Inicial. (b) Estado Final ensayo con un volumen total de 0.6 m3. . . . . . I-18 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xiv I-18. (a) Estado Final, vista desde arriba. (b) Se muestra donde quedo la paleta que se usa para mantener la mezcla en suspensión en el estanque de mezcla. . . . . . . . . . . . I-18 I-19. Secuencia del pulso Aluvional a la entrada del decantador 1. . . . . . . . . . . . . . . I-19 I-20. Estado Final del ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-20 I-21. Velocidad en la entrada del decantador 1, en los primeros 0.7 segundos del pulso. En azul las velocidades sin filtro y en rojo la velocidad aplicando una media móvil . . . I-20 I-22. Secuencia del pulso Aluvional a la entrada del decantador 1. . . . . . . . . . . . . . . I-21 I-23. Estado Final del ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-22 I-24. Velocidad en la entrada del decantador 1, en los primeros 0.7 segundos del pulso. En azul las velocidades sin filtro y en rojo la velocidad aplicando una media móvil . . . I-23 I-25. Estado final ensayo Cp7Cv38. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-26 I-26. Estado final ensayo Cp8Cv38. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-27 I-27. Estado final ensayo Cp10Cv38. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-28 I-28. Estado final ensayo Cp7Cv45. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-29 I-29. Estado final ensayo Cp8Cv45. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-30 I-30. Estado final ensayo Cp10Cv45. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-31 I-31. Estado final ensayo Cp7Cv50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-32 I-32. Estado final ensayo Cp8Cv50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-33 I-33. Estado final ensayo Cp10Cv50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-34 J-1. Zona de Estudio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-4 J-2. Sección tipo para el calculo de la socavación general según los métodos de Neill y Lischtvan - Levediev. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-7 J-3. Esfuerzo de impacto sobre estructura considerando un área de 30x30 cm. . . . . . . J-11 J-4. Anchos considerados para obtener el caudal por unidad de ancho. . . . . . . . . . . . J-13 J-5. Curvas de diseño para enrocados, para varias pendientes (Frizell et at, 1998). . . . . J-14 J-6. Estabilidad de un enrocado según Isbash, Coeficiente C. (Mery, 2007). . . . . . . . . J-17 J-7. Socavación al pie de radieres producida por torrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-22 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xv Índice de tablas 1. Eventos aluvionales anteriores al aluvión de 1993. Fuente: AC Ingenierps (1996) y Martinez (2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. Citas de prensa de la época sobre el aluvión de 1993 (datos extráıdos del reporte de AC Ingenieros, 1996). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. Caracteristicas de la cuenca en estudio (Vargas, 1999). . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4. Caracteŕısticas de eventos ocurridos em Quebrada de Macul (Vargas, 1999).P24(t) es la precipitación diaria observada, P24(t−) es la precipitación durante el d́ıa anterior al fenómeno, itc es la intensidad de precipitaciones máxima en la cuenta durante un tiempo igual al de concentración de la cuenca, IPA es el indice de precipitación antecedentes durante los 30 d́ıas anteriores al evento y HLN es la altura de la ĺınea de nieve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5. Resumen de caudales máximos de crecida (ĺıquidos) Quebrada de Macul, distintos autores (Prisma, 2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6. Caudales de diseño, según isoyetas de precipitación máxima diaria (Vargas, 1999). . 18 7. Caudal máximo probable en la Quebrada de Macul (Vargas, 1999). . . . . . . . . . . 19 8. Caudal Ĺıquidos y Detŕıticos para distintos Periodos de Retorno (Ayala, Cabreras y Asociados LTDA, 1996). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 9. Ubicación de las Calicatas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 10. Detalle de la denominación de las calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 11. Resultados Diámetros Equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 12. Diámetros caracteŕısticos de calicatas 1, 2 y 3 integrada en la vertical. . . . . . . . . 47 13. Diámetros caracteŕısiticos granulometŕıa superficial en miĺımetros. . . . . . . . . . . 49 14. Órdenes de magnitud de algunas propiedades f́ısicas básicas observadas en diversos eventos de flujos de detritos recopilados por Iverson (1997). . . . . . . . . . . . . . . 52 15. Números adimensionales de la Quebrada de Macul en prototipo. . . . . . . . . . . . 61 16. Diámetros caracteŕısticos en mm para la Quebrada de Macul . . . . . . . . . . . . . 62 17. Parámetros f́ısicos para modelo y prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 18. N◦ de Savage y escala relativa de longitudes H/dp en función del diámetro del sedi- mento en la Quebrada de Macul en prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 19. Reoloǵıas de la mezcla agua-bentonita para distintas concentraciones en peso Cp, donde η es al viscosidad de Bingham y τy el esfuerzo de fluencia. . . . . . . . . . . . 65 20. N◦ de Bagnold para distintas escalas considerando los fluidos tipo Bingham. . . . . . 67 21. Números de Bagnold Ba, Savage Sa y Altura relativa H/dp para el flujo de detritos a escala 1:50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 22. Eficiencia de la obra de desv́ıo según Alternativs. M1, 2, 3 y H, corresponden a la masa de material depositado en el decantador N◦1, 2, 3 y Hondonada respectivamente. % GVD hace referencia al porcentaje de gruesas mayores a 1 m en prototipo (2 cm en modelo) desviadas hacia la hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 23. Matriz de ensayos. La viscosidad aparente depende de ∂U/∂z ∼ U/H por lo que es estimada considerando U ∼ 4 m/s y H ∼ 0.1m según lo medido en los ensayos. . . . 77 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xvi 24. Eficiencia de la obra de desv́ıo para diferentes viscosidades y concentraciones vo- lumétricas. M1, M2 y H, corresponden a la masa de material depositado en el decan- tador N◦1, 2 y Hondonada respectivamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 25. Eficiencia de la obra de desv́ıo para el caso de dos pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . 82 26. Eficiencia de la obra de desv́ıo para los ensayos con las modificaciones. . . . . . . . . 96 27. Valores de las velocidades promedio y máxima de la Figura 68. . . . . . . . . . . . . 97 28. Curva granulométrica más gruesa y más fina rn prototipo del material desviado hacia la Hondonada de todos los ensayos realizados en el modelo f́ısico escala 1:50. . . . . . 100 29. Eficiencia en retención de sedimentos de la persa de apertura vertical en la Hondonada.102 30. Desbordes en el sistema para el caudal del aluvión del 93 en la quebrada de macul (Q macul), caudal de 100 años de periodo de retorno (Q100) y el caudal asociado a la crecida máxima probable (Qmax). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 31. Exp. Agua: Velocidades promedio en el tiempo en prototipo (m/s). La ubicación de los puntos de medición se pueden ver en la Figura 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 32. Exp. Bentonita: Velocidades promedio en el tiempo en prototipo (m/s). La ubicación de los puntos de medición se pueden ver en la Figura 81 . . . . . . . . . . . . . . . . 118 33. Exp. Agua: Alturas en prototipo (m), para ver la ubicación de los puntos ver la Figura 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 34. Exp. Bentonita: Alturas en prototipo (m), para ver la ubicación de los puntos ver la Figura 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 35. Volúmenes útiles en m3 según las alturas medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 36. Volúmenes en m3, según indicaciones de DPWH de Japon (2010). . . . . . . . . . . 119 37. Parámetros de diseño. H altura del flujo, U velocidad del flujo, Qmax caudal máximo probable de detritos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 38. Propiedades del Enrocado.*El Ángulo de reposo modificado se explicara en la sección 13.1.1 y en el Anexo J. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 39. Mı́nimos y máximos tamaños de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) 125 40. Mı́nimos y máximos pesos de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) . . 125 41. ds y Peso enrocados fondo zona obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 42. ds Socavación enrocado fondo, zona obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 43. ds y Peso enrocados fondo zona vertedero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 44. ds Socavación enrocado fondo, zona vertedero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 45. ds Enrocados fondo zona Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 46. Esfuerzo de impacto sobre estructura según modelo hidrodinámico en función de el coeficiente Cd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 B-1. Detalles de Vuelos Realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-9 C-1. Ubicación de las Calicatas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3 C-2. Detalle de la denominación de las calicatas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3 C-3. Resultados Diámetros Equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7 C-4. Diámetros caracteŕısiticos granulometŕıa superficial en miĺımetros. . . . . . . . . . . C-9 E-1. Reoloǵıa del fluido intersticial según Obrien (1988) considerando una concentración de finos del 1 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-4 G-1. Valores de Reducción del caudal (P ) en función de la separación mı́nima de los elementos de la presa vertical (Lmin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-5 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xvii G-2. Dimensiones presa de apertura vertical ubicada en el centro de la Obra de desv́ıo aluvional Alternativa 4 y caudal vertido a través de la presa. . . . . . . . . . . . . . G-7 G-3. Diemnsiones principales en modelo y prototipo para la Alternativa 4 . . . . . . . . . G-8 H-1. Listado de principales materiales utilizados en la construcción del modelo . . . . . . H-3 I-1. Dimensiones principales obra de desv́ıo. L es la longitud total de la presa de apertura vertical, a la apertura entre pilares, Le el largo efectivo de apertura de la presa, h la altura de la obra de desv́ıo, φ el diámetro de los pilares, Lv el largo del vertedero lateral y R el radio de curvatura, Q = Q1 + Q2 es simplemente esquemático para indicar el sentido del flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-9 I-2. Matriz de ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-25 I-3. Ensayos realizados. La nomenclatura ECp7Cv38, significa ensayo a concentración en peso de agua y bentonita del 7 % y concentración volumétrica de sólidos en la mezcla sólidos-ĺıquido del 38 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-25 J-1. Parámetros de diseño. H altura del flujo, U velocidad del flujo, r radio de curvatura según Figura J-1, B ancho del flujo según Figura J-1 y a diámetro de los pilares. . . J-3 J-2. Socavación en curva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-4 J-3. Add caption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-6 J-4. Socavación general según los métodos de Neill y Lischtvan - Levediev. . . . . . . . . J-8 J-5. Socavación total obra de desv́ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-8 J-6. Esfuerzo de impacto sobre estructura según modelo hidrodinámico en función de el coeficiente Cd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-10 J-7. Propiedades del Enrocado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-12 J-8. Mı́nimos y máximos tamaños de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) J-12 J-9. Mı́nimos y máximos pesos de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) . . J-13 J-10. Parámetros y sus valores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-14 J-11. Valores de los parámetros para la primera iteración correspondiente a q1 . . . . . . . J-16 J-12. Valores de los parámetros para la iteración 4 correspondiente a q1 . . . . . . . . . . . J-16 J-13. Valores de los parámetros para la primera iteración correspondiente a q2 . . . . . . . J-16 J-14. Valores de los parámetros para la iteración 2 correspondiente a q2 . . . . . . . . . . . J-17 J-15. Valores del diámetro del enrocado ds correspondiente a los caudales q1 y q2. . . . . . J-17 J-16. Diámetro enrocado, para las velocidades máximas obtenidas de los ensayos a caudal constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-18 J-17. Diámetro enrocado, para las velocidades máximas obtenidas de los ensayos a caudal constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-18 J-18. ds enrocados para cada formula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-18 J-19. Parámetros y sus valores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-19 J-20. ds enrocados para cada formula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-19 J-21. Dimensiones del enrocado en el talud sur de la Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . J-20 J-22. Valores usados para calculo según ecuación J-36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-20 J-23. ds Enrocados fondo zona Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-21 J-24. Valores usados para calculo según ecuación J-36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-21 J-25. ds Enrocados fondo zona Hondonada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-21 J-26. ds Socavación enrocado fondo, zona obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-22 J-27. Socavación enrocado fondo, zona vertedero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J-22 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB xviii 1. Introducción Chile es un páıs altamente vulnerable a los flujos aluvionales producto de la configuración geográfica del páıs y a la cercańıa de los asentamientos humanos con zonas cordilleranas y precordilleranas. Cuando estos flujos alcanzan pueblos y ciudades provocan enormes pérdidas humanas y económicas. Según el Servicio Nacional de Geoloǵıa y Mineŕıa de Chile (2015), entre los años 1980 y 2015 ocu- rrieron 70 desastres de origen geológico de los cuales 45 corresponden a flujos aluvionales. Dentro de ellos, los 5 aluviones de mayor magnitud han reportado 189 muertos, 91 desaparecidos, miles de damnificados y un costo económico de 1.600 millones de dólares americanos. Tras el aluvión de 1993 ocurrido en la ciudad de Santiago en la Quebrada de Macul y de Ramón, el gobierno construyó una serie de estructuras destinadas a mitigar los efectos de los flujos aluvionales en la Quebrada de Macul, con una inversión cercana a los US$ 4.5 millones de dolares, la cual se completó en Abril de 1995. Dentro de estas obras, se encontraba la construcción de siete decanta- dores dispuestos a lo largo de 1.590 m de cauce entre las cotas 850 y 900 m.s.n.m, espaciadas entre 55 y 220 m, y que poseen 50 m de ancho en su base y 80 m en los bordes de las riberas. Estos decantadores tienen una capacidad total de almacenamiento de sedimentos estimado en 70.000 m3 (Hauser, 2004). Los muros de las diversas cubetas fueron construidas para el manejo de un caudal de crecida correspondiente a 90 m3/s, asociado a un periodo de retorno de 100 años, incorporando vertederos. Ambos paramentos están protegidos con enrocados, con pesos comprendidos entre 500 y 1.000 Kg según el diseño. Según Hauser (2004) la revancha de las estructuras fue verificada con- siderando un caudal de 150 m3/s (Hauser, 2004). Diversos autores (Ayala, 1996; Naranjo y Varela, 1996; Hauser, 2004) estimaron en 840.000 m3 el volumen de depósitos registrados en la crecida y aluvión de Mayo de 1993 en la quebrada de Macul, es decir, un volumen superior al volumen actual de retención de los decantadores. En este sentido, la Dirección de Obras Hidráulicas se encuentra en proceso de excavación de un decantador de mayor magnitud denominado “Hondonada”, localizado en el lado sur del cauce principal de la quebrada entre los decantadores N◦1 y N◦5 (ver Figura 1). Para un correcto uso de esta hondonada, se pretende desviar hacia ella alrededor de un 80 % del material sólido transportado por un aluvión con el fin de retener una parte importante de los detritos transportados. Con este objetivo, la Dirección de Obras Hidráulicas ha solicitado al INH la inkrealización del es- tudio denominado “Estudio en Modelo Hidráulico a Escala Reducida para el Diseño y Verificación del Sistema de Obras Aluvionales en la Quebrada de Macul, Región Me- tropolitana” que permita mediante modelación f́ısica diseñar la obra de desv́ıo aluvional hacia al hondonada y verificar el correcto funcionamiento del sistema completo de obras de control aluvional en la quebrada de Macul. 1.1. Descripción de la zona de estudio El estudio se emplaza en la región Metropolitana, espećıficamente en la Quebrada de Macul ubicada en los faldeos cordilleranos de la zona oriente de Santiago, siendo el limite entre las comunas de MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 1 Peñalolen y la Florida. La Quebrada de Macul está limitada al norte por el cerro el Abanico (2152 m.s.n.m.); al sur por los cerros Bandera (2077 m.s.n.m.) y Las Minillas (2488 m.s.n.m.); al este con el cerro Punta de Damas (3149 m.s.n.m.) y por el oeste la ciudad de Santiago (ver Figura 1). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 2 Zona de Estudio Quebrada de Ramón Figura 1: Zona de Estudio. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 3 Para tener una mejor idea de las dimensiones de las obras se muestran en la Figuras 2 y 3 los decantadores No1, No2 y la Hondonada respectivamente. (a) (b) Figura 2: (a) Decantador No1 (b) Decantador No2. Figura 3: Zona de la Hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 4 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo General Diseñar las obras de control aluvional en la Quebrada de Macul que permitan desviar parte del flujo de detritos hacia la hondonada excavada y verificar su buen funcionamiento mediante un modelo f́ısico. 1.2.2. Objetivos Espećıficos Los objetivos espećıficos de este estudio son: - Recopilación y análisis de los antecedentes disponibles de la Quebrada de Macul y de las obras aluvionales en el tramo de interés a fin de generar un levantamiento óptimo de la información y en conformidad a los fines del estudio. - Desarrollo de topograf́ıa local. - Modelo f́ısico preliminar, ”Modelo 0”, que permita diseñar las configuración experimental que genere un flujo detŕıtico representativo de la Quebrada de Macul. - Diseñar un sistema de desv́ıo del flujo de detritos desde los decantadores hacia la hondonada. - Diseño de maquetas conceptuales que permitan evaluar el funcionamiento de distintas alter- nativas de diseño previo a la construcción en el modelo f́ısico. - Construcción de un modelo f́ısico a escala reducida que permita estudiar el funcionamiento del sistema completo de las obras de control aluvional junto a las nuevas obras diseñadas en la zona de estudio. 1.3. Alcances del Estudio Los objetivos anteriores se enmarcan en los siguientes alcances: - Para este estudio no se realizará un análisis hidrológico para obtener los caudales de diseño y verificación, correspondientes a periodos de retorno de 100 y 200 años respectivamente. Los caudales se obtendrán del estudio ”Diseño de Obras para el Control de Aluviones y Arrastre de Sedimentos en Zanjón de la Aguada, Sector Alto y Medio de la Quebrada de Macul, Región Metropolitana (Prisma Ingenieŕıa Limitada, 2002)”. - El área de estudio corresponde a la Hondonada y desde el inicio del decantador n◦1 hasta el decantador n◦5 construidos actualmente en la zona de estudio - El estudio considera que el 100 % del aluvión llega al decantador n◦1 y no considera el desborde aguas arriba de este decantador registrado por GEOTEST(2018). - Los cálculos de socavaciones y enrocados, presentados en informe se basan en formulaciones realizadas para aguas claras y en su gran mayoŕıa para flujo sub-criticos. Por lo mismo los cálculos están con una incertidumbre bastante grande, es por esto que se aplican factores de seguridad a los resultados obtenidos. Cabe destacar que dichas ecuaciones fueron obtenidas del manual de carretera y normas de US Army Corps of Engineers. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 5 - Los análisis realizados a los modelos f́ısicos no consideran arrastre de sedimento, debido a que se realizaron con lecho fijo. Dejando de lado el estudio de erosión y embancamiento de las obras diseñadas. - La obra esta dimensionada para que soporte un evento extremo como el aluvión de 1993, después de suceder dicho aluvión se debe realizar una mantención en toda la obra, para que vuelva a las dimensiones obtenidas en este estudio. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 6 2. Antecedentes del Estudio La caracterización de la zona de estudio requiere un detallado análisis de las condiciones actuales del lugar, permitiendo aśı, identificar todos los parámetros necesarios para construir y diseñar el modelo f́ısico asociado a las obras de protección de aluviones en la Quebrada de Macul. Es relevan- te conocer la topografia y geomorfoloǵıa del lugar, su hidroloǵıa, estudiar los eventos aluvionales históricos ocurridos en la quebrada, aśı como revisar modelos f́ısicos de flujos aluvionales existentes en otros centros de investigación que puedan aportar con información relevante para el diseño del modelo f́ısico. 2.1. Eventos Aluvionales en la Quebrada de Macul y sus Alrededores Previos al Aluvión de 1993 La ocurrencia de aluviones es un fenómeno de ocurrencia habitual en Chile, pero poco explora- do cient́ıfica e históricamente. Analizar un fenómeno de este tipo por śı solo, requiere usualmente estudios multidisciplinarios, costosos tanto en tiempo como en recursos pecuniarios y un enfoque sistémico, de largo plazo. Estudios de este tipo definitivamente no son abundantes en nuestro páıs. Es por ello que para efectos de este análisis bibliográfico nos remitiremos solo a tres (3) antecedentes de interés que detallan bastante bien algunas caracteŕısticas relevantes de estos fenómenos y que describimos a continuación: - “Análisis de la Vulnerabilidad del Sector Oriente de la ciudad de Santiago ante la ocurrencia de Aluviones y Crecidas, Región Metropolitana”. AC Ingenieros Consultores (1996). - “Determinación del peligro de flujos de detritos en la Quebrada de Macul, Cuenca de Santia- go”. Natalia Garrido U. (2012) - “Susceptibilidad de Remoción en Masa en la Quebrada de Macul, Región Metropolitana”. Beatriz Martinez P. (2009) El reporte de AC Ingenieros (1996) es la referencia más antigua con la que hemos podido con- tar acerca de eventos de aluviones ocurridos en la zona central del páıs, en particular, aquellos ocurridos en la quebrada de interés concentrados en el periodo 1908-1991 y cuyas caracteŕısticas generales se describen en la Tabla 1. Respecto de esta tabla, los consultores señalan que los even- tos de 1982, 1986 y 1987 corresponden a las tres crecidas más grandes ocurridas en la década de los 80 y coinciden en el poder destructivo de este fenómeno, que ocasionaron graves daños y pérdi- das a los pobladores del sector precordillerano, hoy convertido en un polo de desarrollo inmobiliario. Se indica además que estas crecidas condujeron a importantes variaciones en el perfil y las riberas del cauce. Sin embargo, se observa que no siempre existe claridad respecto de la magnitud de los eventos descritos en la Tabla 1, pudiendo corresponder estos a crecidas que causaron inundaciones localizadas o bien, inundaciones generalizadas y devastadoras. Más aún, los autores se cuestionan respecto de si algunos de estos eventos correspondieron efectivamente a aluviones, ya que tampoco (afirman) se tiene certeza si el fenómeno descrito efectivamente involucró movimiento de detritos y MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 7 porque además, en la generalidad de los casos, las conclusiones se basaron en apreciaciones subje- tivas del fenómeno donde no siempre intervinieron especialistas. Otra observación de interés que se desprende de este reporte, menciona la incerteza respecto de la simultaneidad de ocurrencia de los eventos descritos en la Tabla 1. La única información de la que realmente se tiene certeza, corresponde a los aluviones ocurridos en la Quebrada de Macul en Diciembre de 1991 y Mayo de 1993, siendo este último, por lejos, el evento más importante por su magnitud y efecto destructivo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 8 Tabla 1: Eventos aluvionales anteriores al aluvión de 1993. Fuente: AC Ingenierps (1996) y Martinez (2009) Fecha del evento Caracteŕısticas generales 1908 Un importante aluvión de barro y piedras transforman el cauce de la Quebrada de Macul y cruzan sobre el canal San Carlos. Se inicia una forestación de las riberas para confinar el cauce. Solo se produjeron daños en terrenos agŕıcolas. 1936 Un aluvión en la Quebrada de Macul produjo serios daños en el área del cruce con el Canal San Carlos, bloqueando la pasada y arrasando terrenos agŕıcolas. 03/03/45 al 04/03/45 Lluvias muy intensas provocaron aludes de barro en los Valles del ŕıo Colorado y Maipo en la Región Metropolitana. 20/05/46 Temporal causó daños y cortes de caminos en el Valle del rio Maipo. 20/08/53 al 21/08/53 Lluvias muy intensas provocaron rodados de piedras y lodo, que cortaron el camino en el Volcán y Central Queltehues. 1957 Un aluvión de barro en otoño (Abril) profundiza el cauce de la quebrada de Macul unos 2 m ocupando unos 20 m de ancho. Se registraron daños agŕıcolas y el embanque del Canal San Carlos. 18/04/59 Flujo de barro destruyó una importante extensión del canal de la Central Hidroeléctrica El Volcán de Chilectra Metropolitana S.A. 24/06/62 Rodados sepultaron a varios obreros en la mina Disputada de Las Condes. 23/03/80 al 24/03/80 Intensas lluvias provocaron aludes al interior del valle del Mapocho, Maipo, Yeso y Colorado provocando cortes de caminos y daños en diversas infraestructuras. Julio/81 Flujo detŕıtico cayó sobre la bocatoma de la Planta Queltehues de Chilectra provocando la muerte de 2 personas y causando graves daños en la estructura de la captación. 27/Ju- nio/82 Intensas precipitaciones causaron rodados en el Cajón del Maipo entre las Vizcachas y el Romeral. En Santiago se desbordó el Zanjón de la Aguada. 19/09/83 Flujo de barro en el flanco oeste del Valle del rio Ortiga, afluente del Mapocho. 1986 Crecida importante en le Quebrada de Macul, con mucho caudal ĺıquido y poco sedimento, el que se depositó entre las cotas 800 y 1150 msnm. La ĺınea de nieves se ubicó aproximadamente en la cota 2900 msnm. 14/07/87 Fuerte lluvia sobre los 2500 msnm provocó flujos de detritos en distintas cuencas de la zona central. Se desbordó el Zanjón de la Aguada. 29/11/87 Voluminoso aluvión en el Valle del rio Colorado arrasó con 4 campamentos de construcción de la central hidroeléctrica Alfalfal provocando 37 muertos y cuantiosos daños. Diciem- bre/1991 Aluvión de barro produjo un embanque generalizado de todo el cauce de la Quebrada de Macul. Sobre la cota 1000 msnm se ubicó un depósito de piedras mayores. La ĺınea de nieves de esta tormenta de verano se ubicó sobre la cota 3200 msnm. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 9 AC Ingenieros (1996) señala también que el fenómeno de crecidas en el área se puede atribuir a los siguientes factores fundamentales, ligados entre śı y que permiten considerar a la cuenca como un factor de desequilibrio f́ısico en la comuna de la Florida. Estos factores se explican a continuación: - Factores geomorfológicos, como la altitud media del macizo andino con condiciones de barrera orográfica y la existencia de tres cauces efectivos: menor, mayor y mayor excepcional. - Factores climáticos, asociados a la variable climática que incluye la circulación frontal de los meses de invierno y la influencia de la altitud de la isoterma 0 al momento de producirse un peak de tipo fluvial. - Factores culturales, asociados a quienes habitan el sector, quienes poseen una deficiente per- cepción de las caracteŕısticas del medio que habitan, lo cual los lleva a localizarse en espacios de alto riesgo, alterando las condiciones del cauce y su entorno, aumentando el grado de vulnerabilidad en que se encuentran. En el trabajo de memoria de Martinez (2009) también se realiza un análisis bastante detallado de algunos de los eventos descritos en la Tabla 1. Los antecedentes históricos proporcionados en este estudio se pueden considerar como una extensión del informe de AC Ingenieros, pero que aporta la visión de geólogos que han investigado la zona. Se recomienda al lector consultar las referencias citadas en dicho trabajo. La autora señala que para la zona oriente de Santiago se cuenta con un catastro de remociones en masa que considera principalmente flujos de detritos y barro, los cuales han tenido como factor gatillante lluvias intensas en peŕıodos cortos. Garrido (2012) reafirma esta visión señalando a las precipitaciones como factor causante de primer orden. Se señala además que se puede incorporar, en segundo orden de importancia, la variable śısmica que logra desestabilizar el suelo con acelera- ciones sucesivas. Garrido también agrega, como factor de tercer orden, que se pueden incorporar la desestabilización de taludes inducida por la deforestación y la construcción de laderas y caminos. Todos estos aspectos son de gran interés para el presente estudio, haciendo cuenta que estas ca- racteŕısticas han coincidido con algunos eventos recientes de precipitaciones ocurridos en las zonas central y norte del páıs como el aluvión de Chañaral (2015) y que algunos han atribuido a “śınto- mas” del cambio climático. En concreto el estudio citado describe con mayor detalle los siguientes casos: - Evento del 27 de Junio de 1982: Se indica la existencia de un gran temporal que azotó a la zona central del páıs durante el invierno. Este temporal causó grandes daños, sobre todo en las zonas cordilleranas de las regiones V, VI y RM. Diarios de la época documentan el desborde del ŕıo Mapocho en los sectores de Lo Curro, Bellavista y Quinta Normal y la ocurrencia de importantes crecidas de las quebradas del Sector Oriente, entre ellas de la Quebrada de Macul generando, aguas abajo, el desborde del Zanjón de la Aguada y que dejó las calles aledañas cubiertas de lodo. La crecida de la Quebrada de Macul se caracterizó por su gran caudal ĺıquido y sólido, el cual se depositó entre las cotas 750 msnm y 1150 msnm. Se observaron además, derrumbes en Sewell y rodados de nieve y tierra en el sector de Las Vizcachas y el Romeral, en el Cajón del Maipo. También, el camino internacional Los Andes-Cristo Redentor estuvo MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 10 cortado desde Los Andes a la Cordillera, por derrumbes y nevazones. En el mismo texto se señala que el sistema frontal se dejó caer desde el 23 hasta el 27 de Junio y estuvo compuesto por cuatro (4) frentes, de los cuales el último fue el causante de las inundaciones en la capital. En este último frente, la isoterma 0 se ubicó en promedio a los 2400 msnm. - Evento del 15 al 17 de Junio de 1986: Se reporta una intensa tormenta que afectó desde la V a la VII Región y que generó el desborde de los ŕıos Mapocho, Maipo y Tinguiririca. Además, 18 comunas de la Región Metropolitana fueron declaradas “Zonas de Catástrofe”. Para la Región Metropolitana el registro period́ıstico del d́ıa 17 de Junio destaca, como la situación de mayor peligro, el desborde del canal San Carlos y Zanjón de la Aguada, además del ŕıo Mapocho. También se destaca el aumento considerable del caudal de las quebradas del sector oriente de Santiago, destacándose la Quebrada de Macul, la cual depositó gran cantidad de sedimentos, entre los 800 msnm y 1150 msnm. Las principales crecidas ocurren en la madrugada del d́ıa 16 de junio cuando la lluvia alcanzó la mayor intensidad. El cauce de la Quebrada de San Ramón, también se desbordó dejando las calles de la comuna de La Reina con gran cantidad de depósitos de barro. Se señala además las altas temperaturas ocurridas durante el temporal, que ubicaron la cota de la isoterma 0 en torno a los 2900 msnm. - Evento del 14 al 17 de Julio de 1987: De acuerdo a información period́ıstica recopilada como consecuencia del derretimiento de la nieve acumulada causado por las lluvias cáıdas sobre los 2500 msnm, se produjo una inundación. La comuna de Peñalolén quedó convertida en un lodazal. El d́ıa 15 de Julio se indica el desborde del Zanjón de la Aguada y el d́ıa 17 del mismo mes se señala la gran cantidad de material fino y grueso, compuesto por arena y fragmentos de rocas, que son arrastrados por el mismo canal. - Evento del 25 de Diciembre de 1991: En una entrevista publicada en el diario “El Mercurio” se señaló la ocurrencia de un aluvión en la quebrada de Lo Cañas, al sur de la Quebrada de Macul, producto de una lluvia de 25.6 mm en 24 horas. Si bien la identificación de los mecanismos gatillantes es un aspecto clave en mejorar nuestra ca- pacidad de predicción de flujos de detritos, por otra parte el diseño de estructuras de protección contra eventos de este tipo también ha abierto una rama muy amplia de investigación en esta área y vital para mitigar sus indeseados efectos. Es bueno tener en cuenta que muchos de los conceptos aplicados al diseño de obras hidráulicas clásicas quedan limitados en sus principios para estos casos, puesto que la reoloǵıa del fluido transportado se asimila más bien a uno de tipo no newtoniano y las fuerzas involucradas en la interacción flujo-estructura también pueden variar dramáticamente, considerando que el flujo transporta sedimentos de diversos tamaños y lodos de mayor densidad e inercia que el agua haciendo más dif́ıcil su contención, entre otras razones. La tesis de Garrido aporta elementos valiosos en esta dirección. La autora detalla en su trabajo de investigación algunas fotograf́ıas de obras de contención dispuestas en la zona de la quebrada como medio actual para mitigar los efectos de eventuales flujos de detritos. De acuerdo a Garrido, en Abril de 1995 se completó la construcción de una serie de estructuras destinadas a estos efectos, como muestran las Figuras 4a a 4c. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 11 (a) (b) (c) Figura 4: (a) Vista aérea de la zona de interés donde se pueden observar los decantadores dispuestos para la contención parcial del flujo, (b) vista al poniente de un decantador en la Quebrada de Macul tomada el 28/10/2011 y (c) bloque arrastrado por algún aluvión anterior (imágenes extráıdas de Garrido, 2012). Estas obras reportaron una inversión cercana a los US$ 4,5 millones al estado chileno. La inversión incluyó faenas de limpieza, rectificación y protección de cauces y la construcción de siete (7) decan- tadores dispuestos a lo largo de 1590 m de cauce, entre las cotas 850 y 900 msnm con una capacidad estimada en 70.000 m3. 2.1.1. Antecedentes Aluvión de 1993 Caracteŕısticas Generales del evento: De acuerdo a lo reportado por diversos autores (Ayala 1996, Naranjo y Varela 1996, Hauser 2004, Montserrat 2005, Martinez 2009), el 3 de Mayo de 1993 tras un frente cálido en altura que provocó intensas lluvias, ocurrieron los eventos de mayor importancia de remociones en masa en la zona del Sector Oriente de Santiago, debido al grado de desastre causado y por los volúmenes de material removido. El principal evento ocurrió en la Quebrada de Macul donde se generaron dos pulsos o frentes aluvionales cuyas caracteŕısticas generales se describen a continuación: El caudal máximo alcanzado por el flujo aluvional habŕıa sido de 80 m3/s con una concentra- ción volumétrica de sólidos promedio estimada en 38 % en volumen. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 12 El volumen de material sólido depositado tras el aluvión, habŕıa sido estimado en 840.000 m3 con sedimentos de variados tamaños comprendidos desde glandes clastos superiores a un metro de diámetro hasta arenas y sedimentos que caen en el rango de finos. - La primera onda sobrepasó el cauce del Zanjón de la Aguada y cuyo frente teńıa poco más de 1 m de altura y aproximadamente 300 m de ancho, que se desplazó a una velocidad cercana a los 15 km/h. Este frente estaba constituido por bloques de roca de hasta 1 metro de diámetro, troncos de árboles y lodo muy viscoso. - Se reporta un segundo pulso que descendió por la quebrada minutos más tarde. En el eje del flujo, el frente sobrepasó los 3 m de altura y avanzaba a aproximadamente 30 km/hr. La velocidad y espesor del flujo disminúıa hacia los lados y a medida que el frente avanzaba. Luego de estos dos frentes, el flujo disminuyó su intensidad adquiriendo un aspecto similar al de las grandes crecidas de años anteriores. - También fueron identificados otros flujos en las quebradas de San Ramón y Lo Cañas. En la Quebrada San Ramón, el flujo alcanzó una altura aproximada de 6 m entre las cotas 800 msnm y 1200 msnm. Las causas de este aluvión fueron atribuidas a precipitaciones de gran intensidad con una acumulación aproximada de 10 mm de agua en aproximadamente 1 hora y también a la altura de la isoterma 0, la cual sobrepasó los 3000 msnm. Algunas Consecuencias Significativas En el estudio de AC Ingenieros Consultores (1996) se da cuenta del grado de desastre del aluvión, de acuerdo a informaciones proporcionadas por la prensa de la época y que se detallan en la Tabla 2. Según estimaciones de la época, los costos del desastre se habŕıan elevado a $ 7275 millones solo por concepto de daños a la infraestructura civil. Sin embargo, no se especifica si en dicho monto se incluyeron los daños a casas particulares, de las cuales alrededor de 308 resultaron inhabilitadas para ser habitadas. El evento en cuestión afectó a alrededor de 3000 familias y la suspensión de las clases en práctica- mente la totalidad de la Región Metropolitana, lo que significó al estado pérdidas diarias del orden de US$ 1 millón al d́ıa. De acuerdo al reporte, la gran enerǵıa y las caracteŕısticas de alta concentración de sólidos del flujo detritos que llegó al sector urbano, hicieron ver la necesidad de buscar soluciones que permitiesen controlar los graves daños materiales y en pérdidas de vidas humanas en sectores poblados de la ciudad. Este concepto parećıa no estar verdaderamente internalizado en las autoridades de la época. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 13 Tabla 2: Citas de prensa de la época sobre el aluvión de 1993 (datos extráıdos del reporte de AC Ingenieros, 1996). Fecha del evento Caracteŕısticas generales Diario El Mercurio (04/05/93) “Cuantiosas pérdidas. Aluvión arrasó sector Oriente y causó 10 muertos. Devastadores torrentes de agua desbordaron los canales Las Perdices y Canal San Carlos, arrastrando lodo, piedras y árboles sobre grandes poblaciones de la Florida, Macul, Peñalolen, La Reina y Ñuñoa” “Lodo y troncos cubrieron calles en comunas de La Reina, Avenida Ossa, Echeñique, Simón Bolivar, Pŕıncipe de Gales, Irarrázaval quedaron prácticamente intransitables tras el aluvion” “Problemas con agua potable para gran parte de Santiago. La zona afectada está comprendida entre el Rio Mapocho, por el norte, rio Maipo, por el sur, la precordillera por el oriente y la carretera norte-sur por el poniente” “Suspendieron las clases hoy en 23 comunas de la Region Metropolitana. La suspensión beneficia a 600 mil alumnos aproximadamente del cuadrante cordillera, panamericana norte-sur rio Maipo y rio Mapocho” “El Ministerio de Obras Publicas estimo ayer que los daños en la infraestructura f́ısica del páıs provocados por los aluviones e inundaciones que azotaron a la zona central alcanzan a una cifra mı́nima de $5000 millones de pesos” “Un torrente de lodo sepultó a la población El Progreso y dejó inundadas las poblaciones Las Perdices, La Higuera, El Esfuerzo, La Araucana y Vicente Domı́nguez. Más de 3000 familias viven en el sector” “Aluvión arraso sector oriente y causó 10 muertos” Diario El Mercurio (05/05/93) “$1300 millones de urgencia a damnificados dispuso el Gobierno” Diario El Mercurio (11/05/93) “$170 millones costará construir una población de emergencia en la Florida” “Ministerio de OO.PP indicó que estimaciones de daños en infraestructura subió a $7275 millones” Diario La Tercera (12/05/93) “Un millón de dólares diarios cuesta suspender las clases, por emergencia en Santiago” Diario La Tercera (23/05/93) “Van en 308 las propiedades inhabitables tras el aluvión, cifras del Ministerio de la Vivienda”. De acuerdo al trabajo de Garrido (2012), se indica también que en la zona de las cabeceras de la Quebrada de Macul se produjeron modificaciones sustanciales asociadas a los cauces tributarios y quebradas menores. Anteriormente, estos cursos se encontraban cubiertos con clastos y bloques subangulosos, esparcidos en un lecho restringido al ancho de la corriente de agua y bordeados por matorrales y arbustos. Después de los flujos de detritos de mayo de 1993, estos cauces aumentaron su ancho en, a lo me- MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 14 nos, un 100 %, exhibiendo un canal central profundo, con bancos laterales “colgados” de bloques, principalmente en los tramos cercanos a la quebrada principal. Garrido cita a otros autores en su memoria, quienes indican que hasta cierto punto, estas modificaciones constituye un mayor peligro, por cuanto estos bancos son completamente inestables y están desprotegidos. Según la misma autora, los tramos de las zonas de transporte (también denominadas “gargantas”) no muestran mayores alteraciones con la sola excepción del arrasamiento de la vegetación lateral. La vegetación de matorrales y arbustos de los sectores encajonados de fondo plano desapareció por completo, quedando una cubierta de sedimentos constituida por limos y bloques de espesor variable sobre las terrazas preexistentes. Se señala que este material es fácilmente removible por futuros flu- jos. Las modificaciones son más notorias en los tramos sobre el cono aluvial, donde fueron arrasados los bordes con forestación de eucaliptus y las zonas de matorrales laterales. Algunos potreros fueron cubiertos por las ramificaciones esparcidas, quedando un cauce central de hasta 250 m, notablemen- te más ancho que el anterior. Los principales daños ocurrieron a partir del ápice del cono aluvial. Afectaron obras como torres de alta tensión, pequeños puentes y estructuras de contención de aguas del Zanjón de la Aguada, como muestra la Figura 5. Además, gran parte del sistema de tendidos eléctricos y telefónicos de las poblaciones amagadas, fue arrasado. Se produjeron, también, severas aveŕıas en las aducciones de la confluencia del zanjón con el canal San Carlos, el cual quedó saturado de materiales como bloques, troncos, maderas y otros objetos. Figura 5: Imágenes de 1993 capturadas por TVN (Garrido, 2012). Finalmente, Garrido reporta algunos datos de la ONEMI que informó un total de 26 v́ıctimas fatales y 9 personas desaparecidas solo a comienzos de Junio de 1993. Estas personas viv́ıan mayoritaria- mente en el sector urbano. Sin embargo y contrario a lo indicado previamente por AC Ingenieros, el número de damnificados fue mucho mayor alcanzando un total de 5000 personas, de las cuales MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 15 1264 fueron trasladadas a albergues. El total de viviendas afectadas se elevó a 1169, de las cuales 755 resultaron con daños y 414 con daños parciales o totalmente destruidas. 2.2. Hidroloǵıa del Lugar 2.2.1. Factores Meteorológicos Incidentes en la Ocurrencia de Aluviones Factores meteorológicos como la intensidad de lluvias (mm/hr), precipitaciones previas y altura de la ĺınea de nieves (HLN), son determinantes en la ocurrencia de los flujos de detritos. Estos factores estan lejos de ser constantes, ya que se encuentran condicionados por los eventos de Oscilación del Sur (fenómenos del Niño y la Niña) y Cambio Climático. Según Garreaud (2011), estudios recientes señalan que los cambios de precipitaciones a lo largo de Chile son más dif́ıciles de cuantificar debido a la gran variación interanual producto de los Oscila- ciones del Sur (fenómenos de la Niña y el Niño). Además, el mismo autor indica que por efectos del cambio climático, se observarán mayores alturas de la ĺınea de nieve. La altura de ĺınea de nieves resulta importante como desencadenante de fenómenos de remoción en masa, ya que determina el área aportante efectiva (Ap) de la cuenca durante las tormentas. Por sobre la ĺınea de nieve, la precipitación es sólida (nieve) mientras que bajo ella la precipitación es ĺıquida y escurrirá por la cuenca. La Tabla 3 muestra la curva hipsométrica de la Quebrada de Macul entre otros parámetros como la longitud del cauce principal L, la distancia desde el centro de gravedad de la cuenca al punto de salida LG, la pendiente media de la cuenca S y el tiempo de concetración tc. Según Garreaud (1992), la altura media de la ĺınea de nieve se encuentra a los 2000 m.s.n.m. (Ap ∼ 50 %), por lo que de la curva hipsométrica se puede inferir que pequeños cambios de algunos cientos de metros provoca grandes variaciones en el área aportante de la cuenca durante eventos de precipitación. Tabla 3: Caracteristicas de la cuenca en estudio (Vargas, 1999). Cota (m.s.n.m.) Área (km2) Área ( %) L (km) LG (km) S ( %) tc (hrs) 1500 6.09 24 5.0 2.0 0.54 0.7 2000 12.98 51 6.8 3.8 0.56 0.9 2500 21.59 84 7.8 5.0 0.53 1.0 3000 25.29 99 8.6 5.2 0.53 1.1 3200 25.57 100 9.0 5.3 0.53 1.1 Una muestra del efecto de la ubicación de la ĺınea de nieves en los fenómenos de remoción en masa, es lo ocurrido en el aluvión de 1993 en la quebrada de Macul en que la altura de nieve fue de 3240 m.s.n.m. quedando el 100 % de la cuenca como área aportante efectiva incrementando no solo el caudal ĺıquido a la salida de la cuenca, sino también el área suceptible a desencadenar fenómenos de remoción en masa. La tabla 4 muestra algunos eventos registrados en la Quebrada de Macul descritos por Vargas (1999) donde estima el caudal suceptible de haber ocurrido durante dichos eventos, incluido el evento de 1993. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 16 Tabla 4: Caracteŕısticas de eventos ocurridos em Quebrada de Macul (Vargas, 1999).P24(t) es la precipitación diaria observada, P24(t−) es la precipitación durante el d́ıa anterior al fenómeno, itc es la intensidad de precipitaciones máxima en la cuenta durante un tiempo igual al de concentración de la cuenca, IPA es el indice de precipitación antecedentes durante los 30 d́ıas anteriores al evento y HLN es la altura de la ĺınea de nieve. Fecha P24(t) (mm) P24(t−) (mm) itc (mm/hr) IPA (mm) HLN (msnm) Área (km2) Q (m3/s) 06/27/82 20.2 61 11.3 145 2300 17.6 22.7 06/16/86 18.6 40.6 10.2 137 2230 16.9 18.6 07/14/87 51.1 64.9 13.6 6.9 2170 15.9 24.1 05/03/93 14.6 2.9 23.6 101.7 3240 25.6 47.5 2.2.2. Análisis Hidrológico de Crecidas Según los antecedentes encontrados en el informe final de Prisma (2002), se entregan la recopilación de los estudios hidrológicos 1. “Estudio de Evacuación de Aguas Lluvias de las Hoyas Marginales Sector Maipo – Mapocho”. D.G.A.–IPLA, 1974. Utilizó la Fórmula Racional en la determinación de los caudales de crecida, con un coeficiente de escorrent́ıa de C = 0,57. Adoptó una ĺınea de nieves localizada en la cota 2.000 m.s.n.m. 2. “Estudio Drenaje del Area Ubicada al Oriente del Canal San Carlos”. D.G.A.– Roberto Aránguiz, 1978. Determina los caudales máximos a través de la Fórmula Racional, con un coeficiente de escorrent́ıa de C = 0,50. Adoptó una ĺınea de nieves localizada en la cota 2.000 m.s.n.m. 3. “Análisis y Diagnóstico de los Eventos del 3 de Mayo de 1993 Regiones V, VI y Metropoli- tana”. U. Católica de Chile, Escuela de Ingenieŕıa, Departamento de Ingenieŕıa Hidráulica y Ambiental, 1993. Utilizó el método del H.U.S. 4. “Análisis de la Vulnerabilidad del Sector Oriente de la Ciudad de Santiago ante Ocurrencia de Aluviones y Crecidas, R. Metropolitana”. Dirección de Vialidad – AC Ingenieros Consultores, 1996. Utiliza el método del H.U.S. propuesto por Beńıtez, Arteaga y Vargas – Gómez. Adoptó una ĺınea de nieves localizada en la cota 1.900 m.s.n.m. 5. “Actualización Estudio Plan Maestro Aguas Lluvias del Gran Santiago, Zanjón de La Agua- da”. Dirección de Obras Hidráulicas – AC Ingenieros Consultores, 1997. Utiliza el método del H.U.S. propuesto por Beńıtez, Arteaga y Vargas – Gómez. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 17 6. “Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias del Gran Santiago”. Dirección de Obras Hidráulicas – CADE-IDEPE, 2001. Utilizó la Fórmula Racional y el H.U.S. propuesto por Beńıtez – Arteaga. Para la Fórmula Racional considera un coeficiente de escorrent́ıa que vaŕıa con el peŕıodo de retorno, tomando C = 0,34 para T = 2 años y C = 0,50 para T = 100 años. Para ambos métodos adoptó una ĺınea de nieves localizada en la cota 2.000 m.s.n.m. De los seis (6) estudios recopilados por la empresa Prisma en el año 2002, el calculo de caudales considera las ĺıneas de nieve menores o iguales a los 2000 m.s.n.m. En la Tabla 5 se muestra un resu- men con los distintos resultados obtenidos de la recopilación de antecedentes realizada por Prisma, 2002. Tabla 5: Resumen de caudales máximos de crecida (ĺıquidos) Quebrada de Macul, distintos autores (Prisma, 2002) Estudio QLiquido(m 3/s) Tr = 2 años Tr = 5 años Tr = 10 años Tr = 25 años Tr = 50 años Tr = 100 años Tr = 200 años D.G.A. – IPLA, 1974 27.80 34.60 39.40 44.20 50.00 54.70 D.G.A. – Roberto Aránguiz, 1978 20.80 26.80 33.30 35.70 40.10 42.20 U. Católica de Chile, 1993 11.00 31.00 43.00 96.00 Dirección de Vialidad – AC Ingenieros Consultores, 1996 51.00 75.00 94.00 Dirección de Obras Hidráulicas – AC Ingenieros Consultores, 1997 6.00 16.00 51.00 80.00 118.00 Dirección de Obras Hidráulicas – CADE-IDEPE, 2001 Racional 17.95 23.93 28.80 37.57 44.82 53.68 H.U.S. 8.36 13.68 16.99 24.22 29.43 34.67 Por otra parte, Vargas (1999) estimó los caudales de diseño y los caudales máximos probables para la Quebrada de Macul (Tabla 6). Tabla 6: Caudales de diseño, según isoyetas de precipitación máxima diaria (Vargas, 1999). Peŕıodo de Precipitación Intensidad Caudal retorno (años) máxima diaria máxima (mm/hr) (m3/s) 5 70.2 15.1 22.1 10 86.0 18.5 28.6 20 101.8 21.9 35.0 50 123.1 26.5 43.7 100 139.8 30.1 50.5 Los caudales de diseño mostrados en la Tabla 6, han sido calculados considerando como cuenca aportante promedio la definida por la cota 2000 m s.n.m., utilizando como relación precipitación- escorrent́ıa el hidrograma unitario sintético con una lluvia de duración igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca. Además, se ha estimado la precipitación máxima diaria asociada al peŕıodo de retorno de 10 años basándose en el mapa de isoyetas DGA (1990), mientras que los valores asociados a los otros periodos de retorno, fueron obtenidos sobre la base de coeficientes de frecuencia propios para la región. Finalmente Vargas (1999) calculó la crecida máxima probable susceptible a ocurrir en la cuenca de la Quebrada de Macul y con el ello, determino el caudal máximo probable (Tabla 7). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 18 Tabla 7: Caudal máximo probable en la Quebrada de Macul (Vargas, 1999). Duración (horas) Precipitación (mm) Caudal (m3/s) 2 74.1 172 4 127.4 220 6 166.2 237 8 191.4 221 En función de estos cálculos, Vargas (1999) concluye que “es conveniente destacar que el caudal máximo estimado para la crecida que ha causado mayor daño en la zona de la quebrada de Macul representa sólo el 20 % de la crecida máxima probable, factible de ocurrir en el lugar”. 2.2.3. Caudales de Detritos El estudio realizado por Ayala, Cabreras y Asociados LTDA (1996) determinó las caudales detŕıticos para distintos periodos de retorno, considerando una concentración volumétrica de sólidos de un 38 %. Esta concentración fue la estimada en el aluvión ocurrido el 3 de mayo de 1993. Los caudales detŕıticos mencionados se indican en la Tabla 8. Tabla 8: Caudal Ĺıquidos y Detŕıticos para distintos Periodos de Retorno (Ayala, Cabreras y Asociados LTDA, 1996). Peŕıodo de Retorno Caudal Ĺıquidos Caudal Detŕıtico (años) (m3/s) (m3/s) 50 51 82 100 75 121 200 94 152 2.3. Diseño de obras de desv́ıo del flujo aluvional Para desviar una parte del flujo de detritos hacia la hondonada, se evaluarán dos tipos de obras hidráulicas y la combinación entre ellas. Estas obras corresponden a un vertedero lateral que per- mitirá verter parte del flujo hacia la hondonada y una presa de apertura vertical (”slit dam”) que actuará como obra de control del flujo detŕıtico. Las presas de apertura vertical, o ”slit dams”, consisten en estructuras que poseen una o más aperturas verticales como se muestra en la Figura 6 y tienen como función principal, dosificar el caudal de detritos durante una crecida. Además, este tipo de presas permite que los flujos menores transiten a través de la estructura. Por esta misma razón, ciertas fracciones de sólidos que queden depositados en un evento aluvional, pueden ser arrastradas posteriormente por flujos menores. La dosificación del caudal de sedimentos transportados por el flujo detŕıtico, se logra por un efecto de remanso aguas arriba de la presa. Este remanso, provoca una reducción en la velocidad del flujo favoreciendo la sedimentación de gran parte de las part́ıculas (separación hidrodinámica). Estas obras, retienen temporalmente el sedimento transportado interceptando el material más grueso y MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 19 permitiendo el paso de las part́ıculas más finas (Armanini. 1991, Armanini y Larcher, 2001). La separación entre elementos en este tipo de presas, se expresa en relación al tamaño de sedimen- tos. Ashida y Takahashi (1980) realizaron experimentos, donde investigaron el funcionamiento de las presa tipo grilla y encontraron el siguiente criterio para diseñar la separación entre los elementos: ls/dmax = 1.5 ∼ 2.0 (1) donde ls es el espaciamiento entre los elementos y dmax corresponde al diámetro máximo de part́ıcu- las arrastrada por el aluvión. Si se tienes valores menores a 1.5 se estima que todo el material es atrapado por la presa y nunca saldrá a través de la presa por los flujos pequeños. Mientras si los valores son mayores a 2, la mayoŕıa de los granos son atrapados en un principio, para después salir por efectos del flujo de detritos que sigue. Figura 6: (a) Presa de Control; (b) Presa abertura; (c) Presa abertura rectangular; (d) Pantalla de infiltración de fondo; (e) Presa de grilla (Lien 2003). Mizuyama et al (1995) establecen que la eficiencia en la capacidad de retención de sedimentos (P) no depende solamente de la relación ls/dmax sino también d la concentración de sólidos (C) y la velocidad del frente del flujo de detritos. Mediante análisis experimentalmente obtuvieron los si- guientes resultados: P = 1− Qsp Qsp0 = 1− 0.11 ( Lmin d95 − 1 )0.36 C−0.93 (2) donde P es el grado de reducción del caudal máximo de arraste de sedimentos, Qsp es la descarga máxima de arrastre de sedimento con estructura, Qsp0 es la descarga máxima de arrastre de sedi- mento sin estructura, Lmin corresponde a la separación mı́nima de los elementos de la estructura, d95 al diámetro de los sedimentos cuyo tamaño excede al del 95 % de la muestra y C la concentración volumétrica de sedimentos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 20 Lin et al. (1997) realizaron un estudio experimental para simular el paso de un flujo detŕıtico por tres presas abiertas. Estas corresponden a una compuesta por columnas verticales (slit dam), otra compuesta por enrejados (grid-type dam) y la última por vigas horizontales (beam dam). Los expe- rimentos se realizaron en un canal de 7 m de largo, 0,6 m de ancho y 0,3 m de alto. La separación entre los elementos de las presas (L) se relacionó con el tamaño máximo de los sedimentos (Dmax). Se encontró que la razón L/Dmax tiene directa relación con la capacidad de retención y separación de las distintas fracciones de sedimento. También la pendiente del canal juega un rol importante. Mediante correlaciones, Lin et al. (1997) obtuvieron relaciones tanto para la retención (R) como para la segregación de los sedimentos producto de la interacción del flujo con los distintos diseños ensayados. En forma gráfica se presentan los resultados obtenidos para la retención (Figura 7), la cual se define como: Rs % = T T + P × 100 % (3) donde, T corresponde al peso del material sólido retenido por la presa y P es el peso del material sólido que pasa aguas abajo de la presa. De los resultados obtenidos concluyen que la presa de enrejados y las de columnas verticales poseen la mejor capacidad para retener sedimentos, mientras que la de vigas horizontales posee una mejor capacidad para separar las distintas fracciones granu- lométricas. Además, Lin et al. (1997) realizaron mediciones de la fuerza de impacto del flujo sobre cada uno de los diseños. Figura 7: Retención en función del L/Dmax. Ángulo del canal, 17o (Lin et al., 1997). 2.4. Geoloǵıa y Geomorfoloǵıa de la Quebrada de Macul La Quebrada de Macul se ubica en los faldeos cordilleranos de la zona sur-oriente de Santiago, siendo ésta el ĺımite entre las comunas de Peñalolen y la Florida. La Quebrada de Macul posee una hoya hidrográfica de 7 km de longitud abarcando una superficie de 25.57 Km2 y se encuentra limitada al norte por el cerro El Abanico (2152 m.s.n.m.), al sur por los cerros Bandera (2077 m.s.n.m.) y las Manillas (2499 m.s.n.m.), al este por los cerros San Ramón (3253 m.s.n.m.) y Punta de Damas MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 21 (3149 m.s.n.m.) y al oeste por la ciudad de Santiago. Los fenómenos de remoción en masa y flujos aluvionales están condicionados fuertemente por la geoloǵıa y geomorfoloǵıa. Por un lado, la geoloǵıa explica el tipo de sedimentos presentes en la zona que podŕıan potencialmente ser transportados en flujo aluvional, mientras que en la rama de la geomorfoloǵıa los rasgos más importantes a considerar son las pendientes de las laderas de la cuenca, su altura, exposición al sol, etc. 2.4.1. Estudio Geológico La geoloǵıa de la zona se muestra en la Figura 8. Esta ha sido extráıda de Mart́ınez (2009) y se recomienda al lector consultar la referencia para mayor detalle. Además, en el Anexo A se describen cada uno de los depósitos indicados en la figura 8. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 22 Figura 8: Mapa geológico Quebrada de Macul. 2.4.2. Estudio Geomorfológico Mart́ınez (2009) menciona que la Quebrada de Macul presenta en la ladera norte de la zona central de la cuenca hidrográfica terrazas, un cono de deyección, deslizamientos de suelo, afloramientos de roca que aparecen bajo el material removido, escombro de falda, suelos aluviales, coluviales y mucha vegetación. Además, en las zonas aterrazadas se presentan abruptos cambios topográficos. A su vez, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 23 por la ladera sur, se identifican escombros de falda, depósitos coluviales, deslizamientos, escasos afloramientos de roca con fracturamientos y en el cauce se observan grandes bloques de hasta 2m. En la ribera norte se encuentran sedimentos caóticos, bloques angulosos con un tamaño promedio de 5m. Además se aprecia un muro subvertical de unos 6m de altura por la ladera norte. En esta cuenca se aprecia una alta presencia de fenómenos de remoción en masa y aporte de grandes bloques al cauce principal. Éste tipo de fenómenos está fuertemente influenciado por la pendiente de las laderas. Martinez (2009), basada en modelos de elevación digital (DEM) muestra un mapa de pendientes en la cuenca de estudio predominando aquellas en el rango entre 30◦ y 45◦ grados y pendientes máximas de 60◦. En el cauce principal predominan aquellas pendientes entre 10◦ y 30◦ grados. El mapa de pendientes generado por Martinez (2009) se observa en la Figura 9. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 24 Figura 9: Mapa de pendientes en la Quebrada de Macul, Martinez (2009). Otro factor importante en los procesos de remoción en masa es la humedad del suelo, la cual está fuertemente influenciada por la exposición al sol de las laderas de la cuenca. Aśı, las laderas con exposición Norte presentan suelos predominantemente áridos debido a su alta exposición al Sol. Las laderas con exposición E o W poseen una exposición parcial al sol por lo que presentan suelos más húmedos, pero en menor medida que aquellas laderas de exposición sur las cuales poseen la la menor exposición al sol y por ende una mayor humedad. Mart́ınez (2009) elabora un mapa de exposición de las laderas a partir de un DEM (ver Figura 10). En ella se observa un predominio de laderas con exposición sur, siguiéndoles las de orientación Este, Oeste, combinaciones entre ellas y en último lugar las con exposición Norte. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 25 Figura 10: Mapa de exposición de las laderas en la Quebrada de Macul, Martinez (2009). Entendiendo susceptibilidad como la capacidad o potencialidad de una unidad geológica o geomor- fológica de sufrir un proceso geológico determinado, Martinez (2009) basada en la metodoloǵıa para un análisis de susceptibilidad de ocurrencia de un fenómeno de remoción en masa descrito por Lara (2007) y utilizando los antecedentes geológicos y geomorfológicos de la Quebrada de Macul, genera mapas de susceptibilidad en dicha quebrada para los procesos geológicos de flujos aluvionales, desli- zamiento de suelo, deslizamiento de rocas y cáıda de rocas los cuales se muestran en las figuras 11 a 14. Es importante mencionar, que la metodoloǵıa de Lara (2007) solo considera unidades con Indice de Susceptibilidad IS>50 como áreas suceptibles, mientras que no incluye en el análisis aquellas zonas con pendientes menores a 10◦. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 26 Existe una clara diferencia en la susceptibilidad de ocurrencia de fenómenos de flujos de detritos y remoción en masa en comparación con aquellos asociados a deslizamientos de roca y cáıdas de roca. Esto principalmente debido a que la unidad geológica principal en la cuenca es roca del tipo formación abanico (ver Figura 8). Además, de las figuras anteriores se observa que la mayor suscep- tibilidad a la ocurrencia de flujos de detritos y de remoción en masa se encuentran en la parte alta de la cuenca, mientras que la susceptibilidad a la cáıda de rocas se observa prácticamente en toda la cuenca, lo que explica la gran cantidad de bloques presentes en el cauce principal de la quebrada los cuales al ser arrastrados por un aluvión tienen un alto poder destructivo. Además, el hecho que las áreas más susceptibles a la ocurrencia de flujos de detritos se encuentren en las zonas más alta de la cuenca, tiene una directa relación a la ocurrencia de estos flujos con la ubicación de la isoterma cero tal como ocurrió en el aluvión de 1993 donde ésta se ubico por sobre los 3000 m.s.n.m.. Respecto a la exposición al sol de las distintas laderas de la cuenca, ésta según la metodoloǵıa del ı́ndice de susceptibilidad de Lara (2007), no se considera en los deslizamientos y cáıdas de rocas. Sin embargo, en los deslizamientos de suelos y flujos de detritos, si bien las laderas con menor exposición al sol poseen mayor vegetación mejorando la estabilidad de los suelos, ésta alcanza un máxima ponderación del 5 % en la metodoloǵıa de Lara (2007). Por último, las pendientes en las laderas de la cuenca son en su mayoŕıa en el rango de 30 a 45 grados favoreciendo a los distintos flujos de remoción aqúı descritos, lo cual junto a los antecedentes geológicos y geomorfológicos anteriormente descritos convierten esta cuenca en una hoya hidrográfica de alto riesgo para la ciudad de Santiago, en particular para las comunas de la Florida y Peñalolen. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 27 Figura 11: Indice de Suceptibilidad (IS) de ocurrencia de flujos de detritos, Martinez (2009). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 28 Figura 12: Indice de Suceptibilidad (IS) deslizamiento de suelos, Martinez (2009). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 29 Figura 13: Indice de Suceptibilidad (IS) deslizamientos de rocas, Martinez (2009). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 30 Figura 14: Indice de Suceptibilidad (IS) caida de rocas, Martinez (2009). 2.5. Modelo Numérico Existente La empresa GEOTEST, realizó una modelación numérica utilizando el modelo RAMMS: DEBRIS FLOW. Este estudio fue encargado por la Dirección de Obras Hidráulicas en paralelo con la rea- lización de este estudio, y sus resultados fueron mostrados durante el 2018 en la última etapa del presente estudio. El aluvión más grande modelado por GEOTEST, fue un flujo detŕıtico de 3 pulsos con un volumen MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 31 total de 550.000 m3 y densidades entre 1500 Kg/m3 y 1800 Kg/m3, equivalentes a una concentración volumétrica entre ∼30 % y ∼50 % respectivamente. Es importante destacar que este aluvión posee un volumen inferior a aquel ocurrido en 1993 (840.000 m3) y está considerado como un aluvión de 100 años de periodo de retorno geológico, es decir, es un análisis estádistico de la probabilidad que ese volumen de sédimentos sea arrastrado. Este periodo de retorno difiere con el que comunemente conocemos asociado a un caudal o precipitación ocurrida en la cuenca. El resultado de GEOTEST(2018) para un periodo de retorno geológico de 100 años se muestra en la Figura 15. Es importante recordar, que el desborde indicado por estos resultados aguas arriba del decantador n◦1, no fue considerado en el presente estudio, sino que, se considera que todo el caudal detŕıtico ingresa al decantador n◦1 (Ver sección 1.3 Alcances del estudio) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 32 Figura 15: Modelo númerico GEOTEST(2018) para un aluvión de periodo de retorno de 100 años. 2.6. Modelos F́ısicos Existentes En la literatura distinguimos dos grupos esenciales de modelos f́ısicos de carácter aluvional: - Modelos a escala reducida con fines de investigación. - Modelos a escala reducida que surgen de problemas concretos de ingenieŕıa civil. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 33 2.6.1. Modelos a Escala Reducida con Fines de Investigación Ya sea por simplicidad constructiva o con objeto de reducir la complejidad matemática de las ecuaciones de movimiento se ha optado preferentemente por diseñar y construir canales de sección rectangular, donde un cierto volumen es liberado instantáneamente emulando el fenómeno de rom- pimiento de presa (dam break experiments) (Iverson 1997, Laigle 1998, Egashira 2000, Montserrat 2005, Haas 2015). Las mezclas en estos experimentos corresponden usualmente a mezclas de agua y algún material fino (arcilla, limos, puzolana, etc) lo que permite generar flujos de fluidos complejos de composición quasi-homogénea. En otros pocos casos, encontramos experimentos donde se ha introducido mayor heterogeneidad en la composición granulométrica del material sólido y quienes lo han hecho, ha sido pensado para estudiar las caracteŕısticas cualitativas y geométricas del frente de estas avalanchas (Iverson 2010, Haas 2015). Tal vez el canal más emblemático para el estudio de flujos aluvionales es el construido por el United States Geological Survey (USGS) y que ha sido documentado en varios art́ıculos (Iverson 1997; Iver- son et al. 2010) y videos ya disponibles (ver bibliograf́ıa). Este canal posee una sección rectangular, de pendiente inclinada fija, de 95 m de longitud, 2 m de ancho y una pendiente de fondo de 31o que decrece progresivamente en los últimos 7 m del canal hasta llegar a los 2.5o y luego una planicie de depósito. Iverson y colaboradores han usado intensivamente esta instalación realizando estudios de mezclas de agua y arcilla de concentraciones variables. Las caracteŕısticas naturales de este canal conducen a generar flujos de regimen cercano a los de un torrente. Major & Iverson (1999) también han hecho uso de esta instalación para el estudio de otros efectos como por ejemplo la influencia de la presión de poros sobre la dinámica del flujo. La Figura 16 muestra una vista general de este canal. La Figura 17 muestra algunos resultados que han sido objetos de estudio en la instalación. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 34 Figura 16: Vista General del Canal.(Iverson 1997; Iverson et al. 1999). (a) (b) (c) Figura 17: (a)Esquema del perfil longitudinal del canal con el depósito de mezcla, (b) Vista del frente del flujo de detritos una vez que este llega a la zona de deposición, (c) Imágenes capturadas por una cámara ubicada sobre el flujo. (Iverson 1997; Iverson et al. 1999). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 35 Otros autores se han concentrado más en la f́ısica de fluidos complejos y han hecho esfuerzos por ca- racterizar el comportamiento reológico de estos materiales. Coussot & Laigle (1994) y Laigle (1998) reportan un canal de 4 a 6 m de largo y 2 m de ancho, con pendientes variables en el rango 6 a 31 %. Este canal, de dimensiones más modestas que la anterior, se ha usado para estudiar las caracteŕısticas de un flujo de lodos muy denso, consistente en mezclas de agua y arcilla que escurren en régimen laminar. La elección de la geometŕıa de la sección (rectangular) no es azarosa, pues aśı es posible simplificar la complejidad matemática de las ecuaciones de conservación de momentum y a partir de ellas plantear expresiones simples para el cálculo de variables tales como el esfuerzo de corte de fondo o la velocidad media del flujo. Con estas mediciones de laboratorio, es posible inferir los parámetros tales como la viscosidad o el coeficiente de potencia de la ley viscoplástica, lo que a su vez ha permitido verificar la existencia de un comportamiento similar al de un fluido de tipo Herschel-Bukley. En la Figura 18 se muestran algunos esquemas de estos canales, que cuentan además con sensores ultrasónicos para el monitoreo de la altura media de escurrimiento en diversas posiciones. Notar que la utilidad de estos sensores es limitada en tanto el lecho sea fijo. Para lechos deformables, se hace necesario recurrir a otros métodos experimentales de medición de altura y que no sabemos con exactitud si son realmente aplicables al caso de mezclas bifásicas como las que aqúı interesan. (a) (b) Figura 18: (a) Dispositivo experimental usado para pruebas de flujos de mezclas de lodo donde el control de descarga se hace como si se tratase de un rompimiento de presa y (b) dispositivo experimental donde el control de descarga se hace a través de un angostamiento de la sección de entrada (Laigle, 1998). En el ámbito del estudio de las avalanchas granulares secas es donde encontramos muchos más ejemplos de instalaciones, algunas de ellos de dimensiones espectaculares. Al hablar de “secas” se entiende el caso donde el fluido intersticial no ejerce efectos significativos sobre la dinámica del flujo y donde la disipación energética se suele atribuir a las colisiones entre los granos y al roce entre estos y la frontera de la geometŕıa que los confina. Es aśı que estos estudios se han concentrado más bien en el estudio de las leyes de resistencia del escurrimiento. Se reportan algunos ejemplos que se consideran relevantes, por el objeto de estudio y por las dimen- siones de la instalación. Pudasaini et al (2005) construyó un montaje experimental para estudiar la MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 36 dinámica de avalanchas granulares constituidas por volúmenes de arena seca y homogénea liberados desde un punto alto. La instalación está hecha ı́ntegramente en plexiglás de 4.18 m de largo y 1.60 m de ancho (Figura 19). El autor se concentró en el estudio de la variación espacial y temporal de la velocidad en la superficie libre y altura del flujo granular apoyándose en mediciones de PIV (Particle Image Velocimetry). El método PIV se basa esencialmente en la captura de imágenes de la superficie de la avalancha con una cámara de alta velocidad. Una buena calidad de imagen permite individualizar las part́ıculas del flujo y a través de correlaciones matemáticas es posible deducir la variación en la posición espacial de estas part́ıculas desde una imagen a otra. Esta variación espacial conduce a determinar el des- plazamiento de las mismas en intervalos de tiempo conocidos, lo que se pude interpretar como una medida de la rapidez superficial de los granos. La limitación del método se deduce de lo que se acaba de explicar, es decir, dada la composición f́ısica del material se puede caracterizar la cinemática de los granos solo en la superficie o en las secciones laterales del escurrimiento, esto último en el caso que el canal posea además paredes transparentes. Figura 19: Dispositivo experimental usado por Pudasaini et al (2005) McElwaine et al. (1998, 1999) usaron un “salto de sky” (Miyanomori Ski Jump) para el estudio de avalanchas granulares constituidas exclusivamente por bolas de ping-pong. La instalación consiste en una cáıda de alrededor de 160 m de largo y 60 m de altura y donde más de 500,000 pelotas de ping-pong son liberadas desde un contenedor de madera (ver Figura 20). En este dispositivo, los autores se concentraron en la medición de velocidad de las esferas en la superficie del flujo usando nuevamente la técnica PIV apoyada por captura de imágenes con una cámara de alta velocidad. Sin embargo, el interés mayor proviene del hecho de medir los efectos de la presión de aire sobre MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 37 el frente del flujo, ergo el interés en usar “part́ıculas” más livianas. Para ello los autores instalaron sensores de presión en distintos puntos del canal con objeto de medir esta variable que se cree tiene una influencia en la velocidad de propagación del escurrimiento. (a) (b) (c) Figura 20: (a)Sistema de descarga puntual (dam break), (b) Vista del frente de la avalancha monitoreado en distintas posiciones y (c) Vista de la avalancha de bolas de ping-pong (McElwaine & Mishimura, 1998; 2001). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 38 2.6.2. Modelos a Escala Reducida Aplicado a Estudios de Ingenieŕıa Civil Dentro de este campo es donde son muchos menos los ejemplos que encontramos en la literatura. En el art́ıculo de Couvert & Lefebure (1994) se reportan varios ejemplos de modelos a escala reducida construidos en los laboratorios de SOGREAH (Francia). Estos modelos se pueden agrupar en: - Canales móviles de 1 a 12 m2 de superficie usados para el estudio de problemas puntuales. - Plataformas de hasta 130 m2 para estudios complejos. El laboratorio antes mencionado posee además una “plataforma torrencial” que consiste en un equipamiento muy completo de 75m2 de superficie de pendiente variable. Algunas de las aplicaciones conducidas en estos dispositivos van desde: - Análisis de las caracteŕısticas de depósitos torrenciales. - Acorazamiento de lechos. - Fenómenos transitorios. - Caracteŕısticas de la onda de crecida del flujo aluvional. A continuación describimos algunas aplicaciones puntuales que involucran los aspectos anteriores. Por ejemplo en el estudio del flujo torrencial de “Le Bonnant a Saint Gervais” se construyó un modelo para estudiar un evento aluvional de magnitud volumétrica cercana a los 180 m3/s y con una pendiente de lecho del orden de 2 a 3 % (Figura 21). En este caso el objeto del modelo era testear el comportamiento del rio en crecida con una fuerte componente de acarreo solido de fondo y sus posibles riesgos sobre un edificio de alta afluencia de público. En el modelo se pudo medir, no sin dificultades, las alturas de flujo y el efecto de la onda de crecida. Figura 21: Vistas del sistema de alimentación granulométrico (izq) y comportamiento del flujo frente a la edificación (der). Extraido de Couvert & Lefebure (1994). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 39 En las mismas dependencias se construyó una plataforma de 5 x 15 m de superficie (extensible y deformable) de pendiente variable en el rango 0 a 15 % e incluso hasta 25 % para longitudes más pequeñas de escurrimiento (Figura 22). La estructura posee un canal lateral independiente de dimensiones y pendientes igualmente variables y posee un nivel de automatización que permite controlar el gasto ĺıquido y sólido que ingresa al sistema. Además posee un sistema de medición extensible que permite monitorear el nivel de la superficie libre y de fondo del escurrimiento en forma simultánea. Figura 22: Vistas del sistema de alimentación granulométrico (izq) y comportamiento del flujo frente a la edificación (der). Extraido de Couvert & Lefebure (1994). En el modelo de “La Crellsaz a Chamonix” se ensayaron flujos torrenciales de caudales máximos del orden de 60 m3/s y pendientes del 10 % (Figura 23). En este modelo se representó un violento torrente generado por el derretimiento de un glaciar (Glacier des Bossons) cuyo acarreo de fondo es significativo y constituido en gran parte por bolones de granito. El ajuste introducido en el modelo condujo a la generación espontánea de “escalones” de flujo generados en la fase decreciente de la crecida, lo que fue verificado en observaciones de campo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 40 (a) (b) Figura 23: (a) y (b) vista de los depósitos del flujo torrencial donde se puede apreciar la composición heterogénea de materiales granulares posibles de ensayar en el modelo. Extraido de Couvert & Lefebure (1994). Finalmente en el modelo del torrente de Saint Vincent a Vernet-les-Bains (Figuras 24 y 25) se reprodujeron flujos que en la realidad alcanzan los 180 m3/s y pendientes cercanas al 12 %. En este modelo se estudió el comportamiento de un flujo aluvional con objeto de diseñar un dispositivo de retención de aportes externos (playa de depósito). Gracias a este modelo se ha podido observar el fenómeno de acorazamiento y la aparición de una lengua de acarreo que recorre el modelo en crecidas sucesivas y que corresponde en teoŕıa a una ruptura de pendiente que ha sido constatada en la realidad. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 41 Figura 24: Vista en planta y longitudinal del modelo (a) (b) Figura 25: (a) Vista en planta del modelo y (b) comportamiento de obras de canalización de transporte de fondo una vez que estos se depositan. Extraido de Couvert & Lefebure (1994). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 42 3. Trabajos de Terreno 3.1. Topograf́ıa Entre los d́ıas 24 de Octubre y 4 de Noviembre de 2016, se realizarón las campañas de terreno para determinar la topograf́ıa de la zona de estudio. En particular, se midió la topograf́ıa de los primeros 500 m del cauce medidos desde el inicio del decantador n◦1 hacia aguas arriba, y la topotgraf́ıa del sistema de control aluvional formado por los 7 decantadores y la hondonada escavada hasta la fecha. La topograf́ıa del cauce, se realizó mediante la medición de 33 perfiles transversales distanciados cada 15 m aproximadamente entre ellos, con longitudes variables entre 40 y 90 m según las carac- teŕısticas del terreno en cada perfil. La metodoloǵıa utilizada para la medición fue GNSS-RTK y Estación Total. La Figura 26, muestra una vista en planta de los perfiles transversales del cauce levantados. La topograf́ıa del sistema de control aluvional existente (7 decantadores) y la Hondonada excavada hasta la fecha fue realizada bajo un levantamiento aerofotográfico UAS por su sigla en ingles (sistema aéreo no tripulado). Para dicho trabajo se utiliza el dron de ala fija Trimble UX5 de propiedad del INH (Figura 27). El levantamiento realizado por el dron se muestra en la Figura 28. La información topográfica está referida al datum WGS-84 y se sugiere al lector revisar el Anexo B para mayor detalle de los trabajos topográficos. Figura 26: Levantamiento topográfico del cauce de la Quebrada de Macul mediante perfiles transversales. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 43 Figura 27: Dron Trimble UX5. (a) (b) Figura 28: Levantamiento aerofotográfico. a) Curvas de nivel. b) Mosaico de fotos ortogonalizadas tomadas por el dron. 3.2. Granulometŕıas Se desarrollaron 2 tipos de muestreo para obtener la granulometŕıa en la zona de estudio. El primero de ellos consistió en la realización de tres (3) calicatas o pozos de exploración, de profundidad variable debido al afloramiento de agua, con una profundidad máxima alcanzada de 1,0 m y discretizada en estratos de suelo cada 0,2 m y como máximo 0,5 m. Estas calicatas permiten describir principalmente la fracción más fina de los sedimentos. El segundo método utilizado es el método de Coleman (1954) que permite describir la granulometŕıa superficial en la zona debido a la presencia de grandes bloques que son dif́ıciles de muestrear y tamizar por el método tradicional. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 44 3.2.1. Calicatas En el Anexo C se adjuntan los certificados de granulometŕıa y el informe de sedimentos elaborados por la División de Operación del INH. A continuación se detalla la metodoloǵıa y los resultados mas importantes de las calicatas. La metodoloǵıa ocupada consiste en realizar una escavación de 1 m2 de área por estratos de 0.5 m de profundidad (figura 29). Cada estrato es tamizado y pesados en terreno hasta el tamiz de 30 mm. El material que pasa por este tamiz inferior, es pesado para posteriormente tomar una muestra representativa que será analizada en el laboratorio de sedimentos del INH. Figura 29: Calicatas en terreno. 3.2.1.1 Distribución de Calicatas Se excavaron tres (3) calicatas cuya ubicación se indica en la Tabla 9 y Figura 30. Tabla 9: Ubicación de las Calicatas. Ítem Fecha Calicata Zona UTM Este (m) Norte (m) Profundidad alcanzada (m) C-1 15-nov-16 19 359675 6292140 0.7 C-2 16-nov-16 19 359346 6292065 0.53 C-3 17-nov-16 19 359233 6292051 1 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 45 Figura 30: Ubicación de calicatas en terreno. 3.2.1.2 Distribución de Sedimentos Las calicatas fueron denominadas según lo que se señala en la Tabla 10 Tabla 10: Detalle de la denominación de las calicatas Denominación Calicatas Detalle C1 0.0-0.05 Calicata N1, primer estrato entre 0 y 0.05 metros C1 0.05-0.5 Calicata N1, segundo estrato entre 0.05 y 0.5 metros C1 0.5-1.0 Calicata N1, tercer estrato entre 0.5 y 1 metros C2 0.0-0.05 Calicata N2, primer estrato entre 0 y 0.05 metros C2 0.05-0.2 Calicata N2, segundo estrato entre 0.05 y 0.2 metros C2 0.2-0.4 Calicata N2, tercer estrato entre 0.2 y 0.4 metros C2 0.4-0.6 Calicata N2, cuarto estrato entre 0.4 y 0.6 metros C3 0.05-0.2 Calicata N3, primer estrato entre 0.05 y 0.2 metros C3 0.2-0.4 Calicata N3, segundo estrato entre 0.2 y 0.4 metros C3 0.4-0.7 Calicata N3, tercer estrato entre 0.4 y 0.7 metros C3 0.7-0.9 Calicata N3, cuarto estrato entre 0.7 y 0.9 metros C3 0.9-1.0 Calicata N3, quinto estrato entre 0.9 y 1.0 metros El análisis granulométrico por estrato de cada calicata se detalla en el Anexo C. 3.2.1.3 Diámetros Equivalentes En la Tabla 11 se observan los diámetros caracteŕısticos para todas las muestras ensayadas, mientras que la Tabla 12 muestra los diámetros anteriores integrados en toda la profundidad de la calicata. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 46 Tabla 11: Resultados Diámetros Equivalentes Calicata Muestra D95 D90 D84 D65 D50 D16 D5 1 M-Q. Macul C-1-0-0.05 114.68 103.94 94.11 68.69 48.47 21.74 8.57 M-Q. Macul C-1-0.05-0.5 764.56 570.89 402.09 130.23 92.88 3.38 0.38 M-Q. Macul C-1-0.5-1.0 211.52 174.76 138.99 115.46 91.83 5.75 0.46 2 M-Q. Macul C-2-0.0-0.05 7.57 56.97 46.59 24.61 14.08 1.99 0.49 M-Q. Macul C-2-0.05-0.2 76.43 50.19 35.05 16.43 8.79 1.17 0.29 M-Q. Macul C-2-0.2-0.4 54.74 43.12 32.38 14.82 5.97 0.74 0.28 M-Q. Macul C-2-0.4-0.6 50.94 39.55 29.19 13.21 6.27 0.91 0.36 2 M-Q. Macul C-3-0.0-0.05 101.99 96.63 90.58 73.80 62.01 33.81 27.79 M-Q. Macul C-3-0.05-0.2 682.18 454.54 279.24 129.71 89.07 14.41 1.17 M-Q. Macul C-3-0.2-0.4 231.96 210.19 186.74 128.39 95.80 5.47 0.54 M-Q. Macul C-3-0.4-0.7 216.03 182.30 148.71 89.35 51.00 2.48 0.39 M-Q. Macul C-3-0.7-0.9 127.28 122.93 117.90 80.88 32.38 1.26 0.28 M-Q. Macul C-3-0.9-1.0 179.15 127.33 114.39 79.92 52.61 1.45 0.24 Tabla 12: Diámetros caracteŕısticos de calicatas 1, 2 y 3 integrada en la vertical. Calicata D95 D90 D84 D65 D50 D16 D5 1 696.79 474.14 298.73 120.44 86.37 4.2 0.42 2 57.87 45.31 33.77 15.87 7.35 0.84 0.31 3 244.95 205.43 166.33 107.14 65.2 4.19 0.45 3.2.2. Granulometŕıa Superficial El método de Wolman (1954) consiste en un muestreo granulométrico superficial aleatorio de la zona de estudio. El procedimiento consiste en definir una trayectoria para recorrer a pie capaz de abarcar la mayor área posible de tal manera que ésta sea representativa de la zona de estudio. Posteriormen- te, se recorre caminando esta trayectoria y cada un cierto número de pasos previamente definido, el caminante se debe agachar y sin mirar debe tocar una piedra con su dedo indice y recogerla, siempre y cuando su tamaño lo permita. Es importante, no mirar para que el muestreo sea completamente aleatorio. Una vez escogido el sedimento, se debe medir sus dimensiones principales (largo y ancho mayor). En caso de que el sedimento a muestrear sea muy grande y el siguiente conteo caiga sobre la misma roca, esta se debe contabilizar nuevamente. En caso de la trayectoria definida pase por rocas muy grandes sobre las cuales no se pueda subir, ésta se debe estimar visualmente y retomarse en un punto lo más cercano posible al conteo según la trayectoria original. En caso de que el conteo caiga sobre una roca enterrada, se debe excavar de tal manera que, en lo posible, se pueda medir en forma correcta sus dimensiones. No se debe contar basuras, ni material orgánico, aśı como tampoco zonas en que aflore basamento rocoso ya que éste no forma parte de los sedimentos arrastrados por el cauce. Idealmente, se debe contar con 2 personas de tal manera que una camine, recoja y mida el sedimento y otra que vaya registrando los datos. Para que el muestreo sea válido deberá contener al menos 100 conteos, por lo que se deberá definir en forma adecuada su trayectoria y el número de pasos entre cada conteo. La medición de diámetro de la part́ıcula debe ser realizada sobre el “eje intermedio” de la misma, es decir, sobre el eje normal MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 47 al plano formado por el eje mayor (eje sobre el cual se encuentra la dimensión más grande de la part́ıcula) y el eje menor (eje sobre el cual se encuentra la dimensión más pequeña de la part́ıcula). Para éste estudio, se definieron trayectorias transversales a la dirección principal del cauce espacia- das cada 3 metros aproximadamente en 5 sectores distintos de la zona de interés. Éstas trayectorias fueron recorridas por 3 grupos de dos personas, las cuales tomaban una muestra de sedimento cada 1 paso. Es importante notar, que 3 de estas zonas están ubicadas en el lugar donde se realizaron las calicatas en profundidad de tal manera de complementar la granulomotŕıa superficial (gruesa) con la granulometŕıa obtenida en las calicatas (finos). Por último, con los datos obtenidos en terreno se debe realizar una tabla que contenga dos columnas: rango de diámetros y número de part́ıculas que caen dentro de ese rango. Los diámetros máximos y mı́nimos de cada rango o clase están graduados según la metodoloǵıa ”half-phi”que define para el diámetro máximo incrementos logaŕıtmicos con base √ 2. A partir de esta tabla se construirá un gráfico de frecuencia porcentual acumulada según el diámetro, la cual será semejante a una curva granulométrica tradicional. La tabla no podrá contener diámetros inferiores a ∼ 5 mm debido a la dificultad de medir part́ıculas inferiores a éste valor. La curva granulométrica obtenida utilizando el método de Coleman, se muestra a continuación en que la figura 31 muestra la curva granulométrica en cada una de las 5 zonas muestreadas y la figura 32 muestra la curva granulométrica superficial final uniendo la granulometŕıa de todas las zonas anteriores. Además, en la tabla 13 se muestran los diámetros caracteŕısticos de la curva granulométrica superficial final. 101 102 103 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a zona1 zona2 zona3 zona4 zona5 Figura 31: Curvas granulométricas muestreo superficial en zonas 1 a 5. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 48 101 102 103 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a Figura 32: Curvas granulométricas muestreo superficial final. Tabla 13: Diámetros caracteŕısiticos granulometŕıa superficial en miĺımetros. D5 D16 D50 D65 D84 D90 D95 34.30 57.31 181.28 340.78 1098.39 1781.96 2892.02 3.2.3. Contenido de limos y arcillas Como se verá en la sección 5.1, el contenido de finos (limos y arcillas) en el aluvión tiene relación con la viscosidad de éste. Por tal motivo, el d́ıa de 17 de enero de 2017, se realizó la campaña de terreno para determinar el porcentaje de limos y arcillas presentes en los depósitos de deslizamientos y vestigios de depósitos aluvionales ocurridos anteriormente en la Quebrada de Macul (Ver Anexo D). Las muestras de sedimentos obtenidas en las laderas y vestigios de flujos de detritos ocurridos en la quebrada, son tomadas de la matriz del flujo de detritos, es decir, de las part́ıculas más finas donde están soportadas las part́ıculas mas ruesas y grandes bloques. El análisis granulométrico realizado en el laboratorio de sedimentos del INH arrojó la curva granulométrica indicada en la figura 33. La figura 34 muestra que solo un 0.83 % corresponde a material fino (limo). Es decir, el porcentaje de material fino en la quebrada es escaso e inferior al 0.83 % si incluimos en la muestra las part́ıculas gruesas que fueron excluidas. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 49 10−1 100 101 102 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a Figura 33: Curva granulométrica obtenida de la barra presente en el cauce donde se evidenciaron vestigios de aluviones anteriores. Los sedimentos analizados solo corresponden a la matriz, es decir a las part́ıculas más finas y no a los grandes bloques. Figura 34: Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 50 4. Hidráulica de Aluviones Un flujo de detritos o aluvion, es una mezcla de sólidos y ĺıquido que se mueve por efecto de la gravedad como un continuo y que es capaz de tener gran movilidad, alcanzando grandes distancias hasta su detención en terrenos muchas veces de baja pendiente. Estos ocurren cuando masas de sedimento agitadas y saturadas por agua, deslizan a lo largo de una pendiente por acción de la fuerza de gravedad (Montserrat, 2005). Aunque parezca paradójico, para un fenómeno tan comple- jo como un aluvión, esta definición resulta ser la más simple que podemos construir hasta ahora. Algunas de las propiedades de los flujos detŕıticos dependen solo de la composición del material que los constituye, mientras que otras dependen de las caracteŕısticas del movimiento (Montserrat, 2005). La fase sólida de un flujo de detritos está compuesta por el sedimento natural presente en los cauces y quebradas, con distribuciones granulométricas variadas y extendidas que pueden ir desde limos y arcillas hasta grandes rocas de algunos metros de diámetro. Según Takahashi (2007), en el aluvión ocurrido en Venezuela 1999 conocido como la ”Tragedia de Vargas”, se observaron rocas de tamaño superior a 10 m. La fase ĺıquida o fluido intersticial está compuesta en la naturaleza por agua. Sin embargo, se consi- dera que aquellas part́ıculas cuyo tiempo de sedimentación en aguas claras es superior al tiempo de duración del aluvión, forman parte del fluido ambiente y se modela como un fluido equivalente con sus propias caracteŕısticas reológicas. Iverson (1997) estima que para aluviones cuyas duraciones van desde los 10 s hasta los 104 s, estas part́ıculas consideradas como parte del fluido intersticial corresponden a limos y arcillas ds < 0.0625mm. Por lo tanto, en lo que sigue en el presente estudio, cuando se mencione a la fase ĺıquida o fluido intersticial o ambiente, se refiere al fluido equivalente formado por el agua y las part́ıculas finas de diámetro inferior a la malla #200 según la norma ASTM correspondiente a ds < 0.074mm. Iverson (1997) realizando mediciones en distintos flujos detŕıticos, propone rangos de variación de algunas propiedades f́ısicas generales de estos flujos que se detallan en la Tabla 14. De esta tabla se desprende que estos flujos pueden alacanzar viscosidades del orden de 100 veces la viscosidad del agua y que son capaces de transportar una gran cantidad de sedimentos con concentraciones volumétricas máximas del orden de un 80 % v/v. Además, las colisiones entre las part́ıculas poseen un coeficiente de restitución mayor a cero e incluso entorno a 0.5, indicando que las colisiones son inelásticas y altamente disipativas. Takahashi (2014) e Iverson (1997) describen también otras propiedades de estos flujos asociadas principalmente al volumen de sedimentos movilizados, la distancia recorrida (L) y el desnivel (H) desde el inicio del evento (source) hasta el depósito final de los sedimentos (deposit) (ver Figura 35). La razón H/L es conocida también como coeficiente de fricción equivalente (R) en que se considera que la enerǵıa potencial inicial MgH, es disipada por fuerzas resistivas MgR que actuán sobre una distancia L, es decir, MgH = MgRL ⇒ R = H/L (4) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 51 Tabla 14: Órdenes de magnitud de algunas propiedades f́ısicas básicas observadas en diversos eventos de flujos de detritos recopilados por Iverson (1997). Propiedades Variable Unidad Rango T́ıpico Fase Sólida Densidad [Kg/m3] 2500 - 3000 Diámetro medio [mm] 10-5 - 10 Angulo de fricción [o] 25 - 45 Coeficiente de restitución [] 0.1 - 0.5 Fase Fluida Densidad [Kg/m3] 1000 - 1200 Viscosidad dinámica [Pa*s] 0.001 – 0.1 Mezcla Concentración volumétrica [] 40 % - 80 % Fracción fluida [] 20 % - 60 % Permeabilidad hidráulica [m2] 10−13 − 10−9 Conductividad hidráulica [m/s] 10−7 − 10−2 Módulo de compresibilidad [Pa] 103 − 105 Angulo de fricción [o] 25 - 45 Figura 35: Coeficiente de fricción equivalente para distintos tipos de flujos y remociones en masas, deslizamientos, flujos piroclásticos y aluviones. (extráıdo de Takahashi, 2014). La Figura 35 deja en manifiesto que la movilidad de los aluviones, es muy superior comparada con la de remociones en masa y flujos pyroclasticos (H/L menor). Esto sugiere que la gran movilidad de los aluviones puede deberse al gran contenido de agua presente en la mezcla sólidos ĺıquido en comparación con los otros tipos de remociones (Takahashi 2014). Por otro lado, la misma figura muestra que la dispersión de los datos es bastante alta, y que para un mismo H/L, el volumen de sedimentos movilizado puede variar en varios ordenes de magnitud. Situación similar ocurre con el caudal peak del aluvión en función del volumen de sedimentos transportado (ver Figura 36) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 52 Figura 36: Relación entre el caudal peak del aluvión y el volumen de sedimentos transportado. Las ecuaciones 1 a 7 corresponden a ecuaciones emṕıricas de distintos autores de la forma Qp = aM3. (extráıdo de Rickenmann, 1999). Sumado a lo anterior, se han realizado una gran cantidad de trabajos de investigación, varios de ellos condensados en el texto Takahashi (2007), para determinar una ley de resistencia asociada a los flujos detŕıticos, incluso, en el caso más “simple”posible que correpsonde al de un escurrimiento uniforme y permanente. Sin embargo, estos no han sido capaces de reproducir toda la f́ısica de un aluvión. En resumen, la representación matemática y en modelo f́ısico a escala reducida de un flujo detŕıtico es un problema de alta complejidad, aún en fase de investigación a nivel munidal, y que tiene varias limitaciones que permiten observar solo algunas caracteŕıstas del aluvión. Para comprender estas limitaciones se debe entrar en las ecuaciones que rigen la hidrodinámica aluvional. 4.1. Análisis dimensional Para comprender mecánicamente un flujo de detritos, hay que en primer lugar comprender los esfuerzos principales que en el actúan. Dado que el flujo aluvional está compuesto por una mezcla hiperconcentrada con una fase ĺıquida y una sólida, el esfuerzo total τ se compone de el esfuerzo producto de la fricción entre las part́ıculas τc, las colisiones entre las part́ıculas τss, la interacción ĺıquido-sólido producto del movimiento relativo entre ambas fases τsf , y la interacción ĺıquido-ĺıquido correspondiente a los esfuerzos de origen viscosos τf y turbulentos τt. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 53 τ = τc + τss + τsf + τf + τt (5) Las fuerzas presentes en la interacción ĺıquido–sólidos son principalmente la fuerza de arrastre y empuje, las cuales se manifiestan en un gradiente de presión de poros ∆Pe (Iverson & George 2014). El movimiento de la mezcla ĺıquido-sólidos produce interacciones entre las part́ıculas y reordena- mientos de éstas que provocan contracciones y dilataciones del flujo, generando fluctuaciones de la presión de poros. Los incrementos de presión de poros, reducen los esfuerzos producto del contac- to entre los granos (Iverson 1989), favoreciendo aśı la movilidad del flujo detŕıtico, el cual puede alcanzar distancias de algunos kilómetros transportando grandes clastos de hasta 10 m en algunos casos, tal como ocurrió el año 1999 en el estado de Vargas, Venezuela (Takahashi 2014). Como se mencionó anteriormente, las part́ıculas más finas, incapaces de sedimentar durante el mo- vimiento del flujo ds < 64µm (Iverson 1997), son consideradas como parte del fluido intersticial. Estas part́ıculas modifican las propiedades reológicas del fluido intersticial, incrementando su vis- cosidad efectiva favoreciendo aśı la generación de fluctuaciones de presión de poros y disminución en la difusión del exceso de presión de poros (Iverson 1989, Iverson 1997, Iverson & George 2014). Estos mismos autores proponen kE/µ como una escala del coeficiente de difusión de presión de poros, donde k es la permeabilidad hidráulica (L2), E el modulo de Young del sedimento (F/L2 ) y µ la viscosidad dinámica del fluido intersticial (F · T/L2). Una escala de tiempo en que ocurre la difusión de presión de poros sobre una distancia caracteŕıstica δ es δ2µ/kE en que δ es t́ıpicamente el diámetro caracteŕısticos de los sólidos ds o la altura del flujo H, mientras que δ/v o H/U ∼ 1/γ̇ es una escala de tiempo de creación de fluctuaciones en la presión de poros, ya que a esa escala de tiempo ocurre la dilatación y contracción del flujo. En este caso, v es la velocidad con la quer se mueven las part́ıculas sólidas y U la velocidad promediada en la vertical de la mezcla ĺıquido-sólidos considerada como un continuo. Se define el adimensional Π1 como la razón entre ambas escalas de tiempo tal que, para altos valores de Π1, la difusión del exceso de presión de poros ocurre más rápida que la generación de ésta misma. Π1 = KE UµH (6) En este adimensional radica la dificultad de modelar a escala reducida flujos de detritos. Conside- rando que el flujo aluvional es un flujo gravitacional, parece razonable su escalamiento manteniendo el número de Froude. Es decir, λU = √ λH en que λH es la escala geométrica y λU es la escala de velocidades. Para poder mantener tanto en prototipo como en modelo la misma tasa de generación y difusión de excesos de presión de poros, se debe cumplir λΠ1 = 1. Considerando λk = λE = 1, se tiene: λµ = λ −3/2 H (7) A modo de ejemplo, para un modelo a escala geométrica 1:80, se tendŕıa λµ = 716. Es decir, la viscosidad tendŕıa que ser 716 veces más grande en modelo que en prototipo. Esto sobre estimaŕıa los esfuerzos viscosos, ya que la escala del número de Reynolds (Re = ρUH/µ) seŕıa 1:516000, modificando por ejemplo, un flujo turbulento en prototipo en un flujo laminar en modelo. Según Iverson (2015), a la fecha no se ha propuesto un escalamiento satisfactorio que sea capaz de resolver el problema anteriormente expuesto. Ante esto, la alternativa más viable es construir un modelo MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 54 a escala lo más grande y parecido a la realidad posible. En los últimos años, se han visto ensayos de flujos de detrito en cuencas reales (Paik, 2012) o monitoreo y mediciones de distintas variables f́ısicas durante eventos aluvionales reales (Hu 2011, Hürlimann 2003). Si bien el escalamiento de la viscosidad es uno de los efectos de escala más problemáticos, aún es posible mantener la dinámica principal del aluvión tanto en modelo como en prototipo. A partir de los esfuerzos indicados en la ecuación 5, Iverson (1997), Iverson & Delinger (2001) y Takahashi (2014) definen una serie de números adimensionales que relacionan algunos de estos esfuerzos, per- mitiendo aśı clasificar los flujos de detritos tanto mecánica como dinámicamente según los esfuerzos que predominen durante su desarrollo. Para ello, se considera que las caracteŕısticas principales del flujo son la velocidad del flujo u(z) a una altura z medida perpendicularmente desde el lecho, la tasa de deformación angular ∂u/∂z, la altura de flujo h, el diámetro representativo de los sólidos ds, la densidad de los sólidos ρs, la densidad del fluido que compone la fase ĺıquida ρf al cual llamaremos matriz o fluido intersticial, la aceleración de gravedad g, la viscosidad aparente del fluido intersticial µ, la concentración de part́ıculas en volumen φ, el coeficiente de restitución de las part́ıculas e y el coeficiente de fricción entre las part́ıculas tanϕ. En el caso de la colisión entre las part́ıculas, los parámetros fundamentales son la frecuencia de colisiones, la masa de las part́ıculas ms y el coeficiente de restitución e. La frecuencia con que dos part́ıculas ubicadas en superficies adyacentes del fluido orientadas verticalmente colisionarán, de- penderá de la velocidad relativa entre ellas, es decir, la frecuencia de colisiones está directamente relacionada con la tasa de deformación angular ∂u/∂z. Iverson (1997) y Takahashi (2014) proponen las siguientes expresiones para estimar los esfuerzos antes mencionados: τss ∼ f(φ, e)ρsd 2 s (∂u ∂z )2 (8) Es interesante notar, que las colisiones entre las part́ıculas, es el mecanismo de transmisión de los esfuerzos inerciales de la fase sólida explicados por Bagnold (1954), conocidos también como esfuerzos dispersivos. En el caso de la fase ĺıquida, los esfuerzos inerciales se escriben de manera análoga a los esfuerzos de Reynolds en flujo turbulento, es decir: τt ∼ (1− φ)ρml 2 m (∂u ∂z )2 (9) donde lm es la longitud de mezcla. Para flujos de detritos, lm escala con el diámetro representativo de las part́ıculas dp y ρm corresponde a la densidad del fluido intersticial (Iverson, 1997). Sin em- bargo, cuando el flujo de detritos es completamente turbulento (tanto en el frente como en el cuerpo y cola del flujo), Takahashi (2014) propone la altura de escurrimiento h como longitud de mezcla caracteŕıstica. En este último caso, la densidad de la mezcla ρm corresponde a la viscosidad de la mezcla sólidos-ĺıquido considerada completamente como un fluido equivalente. Los esfuerzos de fricción producto del contacto entre las part́ıculas a una altura z está influenciado por el peso sumergido de todas las part́ıculas que están sobre la altura z y se escribe como: MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 55 τc ∼ φ(ρs − ρm)g(h− z)tanϕ (10) En el caso de los esfuerzos viscosos, estos se escriben para un fluido Newtoniano de viscosidad µ como: τf ∼ µ(∂u/∂z) (11) En este caso, y para simplicidad del análisis adimensional, se considera al fluido como Newtoniano. La importancia de los esfuerzos anteriormente descritos radica en la comparación entre ellos de tal manera de determinar que esfuerzos predominan en el movimiento del flujo. De ésta manera, la razón entre los esfuerzos inerciales de la fase sólida τss y los esfuerzos viscosos τf se conoce como el número de Bagnold (NBag) mientras que la razón entre los esfuerzos dispersivos relacionados con la colisiones de las part́ıculas τss y los esfuerzos friccionales τc relacionado con la masa granular se conoce con el nombre de número de Savage NSav. Según Bagnold (1954): NBag = ρsλ 1/2d2 s µ ∂u ∂y (12) λ1/2 = [ φ1/3 φ 1/3 ∗ − φ1/3 ]1/2 (13) donde f(φ, e) de la ecuación 8, equivale a λ definida como la concentración lineal según Bag- nold (1954) y φ∗ es la concentración máxima de empaquetamiento. En el caso de Iverson (1997), f(φ, e) = φ/(1− φ). Iverson (1997) define el número de Savage como: Nsav = γ̇2ρsds N(ρs − ρf )g tanϕ (14) donde N es el número de part́ıculas sobre la altura z. La razón entre τss y τt se denomina el número Másico NMass y compara la importancia de los esfuerzos inerciales de la fase sólida con los de la fase ĺıquida. Según Iverson (1997) éste se escribe como: NMass = φ 1− φ ρs ρf (15) Sin embargo, según Takahashi (2014) para flujos aluvionales turbulentos donde la escala carac- teŕıstica de la longitud de mezcla lm es h, el número Másico se expresa como: NMass = φ 1− φ ρs ρf h ds (16) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 56 Parámetros adimensionales adicionales se pueden obtener mediante la razón de los adimensionales anteriores. Es aśı como se puede obtener el número de Reynolds de las part́ıculas NRp dividiendo el número de Bagnold con el número Másico, mientras que la razón entre el número de Bagnold y el número de Savage se conoce como el Número friccional que representa la razón entre los esfuerzos producto de la fricción de las part́ıculas con los esfuerzos viscosos. Según Iverson (1997), estos se escriben como: NRp = NBag NMass = ρf γ̇d 2 s µ (17) Nfric = NBag NSav = φ 1− φ N(ρc − ρf )gds tanϕ µγ̇ (18) Según Takahashi (2014) En el caso de que lm ∼ H, el número de Reynolds de la part́ıcula se reduce al número de Reynolds: NRey = ρmH 2 µ ∂u ∂z ∼ HU µ/ρm ; ∂u ∂z ∼ U H (19) 4.2. Caracterización mecánica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) Tomando como referencia la Figura 37, Takahashi establece la siguiente caracterización mecánica de los flujos de detritos: Figura 37: Clasificación mecánica de flujos de detritos según Takahashi (2014). Flujo Cuasi-Estático (C3 < φ < C2): Este tipo de flujo es aquel en que predominan los es- fuerzos friccionales, por lo tanto, para poder transmitir el roce entre las part́ıculas estas deben estar siempre en contacto unas con otras independiente de que su posición pueda cambiar en el tiempo. Lo anterior sugiere que debe existir una concentración de sólidos mı́nima C3 tal que ésta condición ocurra. Bagnold detemrinó que C3 = 0.51 para part́ıculas de arena natural de playas. Sin embargo, según Takahashi (2014) éste valor podŕıa aumentar en el caso de suelos con granulometŕıa extendida en que las part́ıculas más finas ocupaŕıan el espacio intersticial MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 57 existente entre las part́ıculas de mayor tamaño. Según Iverson (1997), para flujos granulares secos, los esfuerzos friccionales dominan por sobre los esfuerzos producto de las colisiones entre las part́ıculas si Nsav < 0.1. Según Takahashi (2014) la mayoŕıa de los flujos de detritos poseen NSav < 1 y por lo tanto, están dominados por la fricción entre las part́ıculas, sin embargo, Takahashi determina que ésto sólo ocurre si φ > C3 ∼ 0.5. Cuerpo Rı́gido (C2 < φ < C1): Existe otro valor ĺımite de concentración mayor a C3 en que las part́ıculas ya no pueden desplazarse entre ellas y la mezcla sólidos-ĺıquido se convierte en un sólido que desliza sobre una superficie de falla. Esta concentración según Bagnold (1966) toma el valor de C2 = 0.56 para arenas naturales de playa. De la Figura 37, C∗ corresponde a la concentración máxima de empaquetamiento, mientras que C1 es la concentración de la masa de sedimentos después de ser sometida a un cierto esfuerzo. Bagnold (1966) estimó C∗ = 0.644 y C1 = 0.604 para arenas naturales de playa. Flujos Inerciales & Viscosos (C4 < φ < C3): Corresponden a aquellos flujos de detritos en que el esfuerzo de corte total es capaz de transportar las part́ıculas homogéneamente distribui- das en toda la columna de fluido. Estos flujos se pueden dividir en Inerciales o Viscosos. En el primero, son los esfuerzos inerciales (dispersivos y turbulentos) los que predominan sobre los viscosos, mientras que en el segundo son los esfuerzos viscosos los que predominan. En general, los flujos aluvionales viscosos, presentan concentraciones de part́ıculas finas (limos y arcillas) del orden del 20-30 %v/v, mientras que en los flujos inerciales esta concentración es menor. Según Bagnold (1954), los flujos inerciales ocurren para NBag > 450 mientras que los flujos que ocurren en el rango viscosos poseen NBag < 40. Finalmente, la concentración ĺımite C4 es aquella en que el flujo ya no es capaz de mantener a las part́ıculas suspendidas en toda la columna de fluido. Esta concentración fue estimada emṕıricamente por Takahashi en C = 0.2. Flujo inmaduro (C5 < φ < C4): Corresponden a aquellos flujos en que los esfuerzos ya no son capaces de transportar a las part́ıculas homogéneamente distribuidas en toda la columna de fluido. Se les conoce también como flujo heterogéneo y ocurren hasta una concentración ĺımite C5 estimada en 0.02 por Takahashi. Transporte individual (0 < φ < C5): Inferior a la concentración C5 las part́ıculas son transportadas individualmente en un proceso análogo al transporte de fondo de sedimentos, es decir, las part́ıculas son transportadas producto de la fuerza de arrastre originada por la diferencia de velocidad entre la part́ıcula y el fluido. Es importante notar, que en el caso del flujo inmaduro, la velocidad de la fase sólida con la fase ĺıquida son muy parecidas y por lo tanto, ambas fase se mueven gracias a la fuerza de gravedad. 4.3. Clasificación dinámica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) Takahashi (2014) propone una clasificación para los flujos dinámicos, es decir, aquellos con concen- tración φ < C3 (Figura 37) en donde participan los esfuerzos turbulentos (τt), por colisiones entre las part́ıculas (τss) y viscosos (τf ). De ésta manera Takahashi divide a los flujos dinámicos en: Pedregoso (“Stony”) Turbulento de Barro (“Turbulent-Muddy”) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 58 Viscosos (“Viscous”) Según Bagnold (1954) aquellos flujos en que NBag > 450 pertenecen al régimen de flujo inercial, mientras que aquellos en que NBag < 40 pertenecen al régimen de flujo viscoso. En flujo de agua en canales abiertos, aquellos flujos con NRey > 1500 predominan los esfuerzos turbulentos, mientras que para NRey < 500 predominan los esfuerzos viscosos (Takahashi, 2014). Finalmente, el criterio de transición entre un flujo dominado por los esfuerzos turbulentos o un flujo dominado por las colisiones entre las part́ıculas se basa en la condición necesaria para que las part́ıculas sean supen- didas por la turbulencia (Takahashi, 2014). Para ello, se debe cumplir que ws/u∗ < 1 donde ws es la velocidad de sedimentación de la part́ıcula inmersa en el fluido intersticial y u∗ = √ gHsin(θ) la velocidad de corte. La velocidad de sedimentación se calcula como: ws =  1.82 [( ρs−ρf ρf ) gdp ]1/2 ; dp > 1cm g(ρs−ρf )d2p 18µ ; dp < 1mm (20) u∗ = √ gHsin(θ) (21) Takahasi (2014) inidca que para part́ıculas de diámetro 1mm < dp < 1cm, puede ser usada como aproximación las ecuaciones para dp > 1cm. La condición ws/u∗ < 1 se traduce finalmente en: H dp >  3.31(ρs/ρf−1) sinθ ; dp > 1cm Rep(ρs/ρf−1) 18sinθ ; dp < 1mm (22) donde θ es la pendiente del terreno sobre la cual escurre el aluvión y µ la viscosidad del fluido intersticial. La ecuación 22 ignora el efecto en la velocidad de sedimentación de grupos de part́ıculas. Pero, de todas formas indica que si la altura relativa H/dp es grande, las part́ıculas serán suspendidas por la turbulencia, en caso contratio, estas no serán suspendidas (Takahashi, 2014). A modo de ejemplo, considerando θ = 10◦ y ρs/(ρf − 1) = 1.65, se tiene H/dp > 32. Finalmente, el autor propone el gráfico de la figura 38 para la clasificación dinámica de los flujos en función de los tres esfuerzos predominantes en éste tipo de flujos: turbulentos, visocosos y colisiones entre part́ıculas. Aśı, cada uno de los vértices de la figura, indica que dicho esfuerzo representa el 100 % de la suma de los tres. Los ejes de la figura correpsonden al número de Bagnold, Reynolds y Altura Relativa. Las áreas sombreadas, definidas como aquellas en que el esfuerzo dominante es superior al 60 % del total de los 3 esfuerzos, clasifican a los flujos en las categoŕıas de Turbulento de Barro, Pedregoso y Viscoso. En base a lo anteriormente expuesto, el flujo Turbulento de Barro ocurre cuando Re > 30 y H/dp > 30. El flujo Pedregoso ocurre para Ba > 450 y H/dp < 10 y el flujo Viscoso surge cuando Re < 500 y Ba < 40. Finalmente, la zona intermedia determina flujos del tipo h́ıbridos en que participan los 3 esfuerzos. A modo de ejemplo, el punto A es un flujo aluvional MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 59 h́ıbrido, cuyo comportamiento se asemeja de alguna manera a un flujo del tipo pedregoso. Figura 38: Clasificación dinámica de los flujos de detritos en el régimen inercial según Takahasi (2014). En este caso “Relative Depth” corresponde a H/dp, τµ equivale a τf y τc a τss. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 60 5. Clasificación Aluviones Quebrada de Macul En la sección 2, se indicaron los antecedentes y datos recopilados de eventos aluvionales anteriores en la Quebrada de Macul. Esta información es muy escasa y a pesar de toda la incertidumbre, aquel aluvión con mayores antecedentes corresponde al ocurrido en el año 1993. En él, se estimó una concentración volumétrica de sólidos del 38 %, una velocidad de 30 km/hr (8.3 m/s) y una altura de escurrimiento de 3 m. A priori, considerando las concentraciones ĺımites establecidas en la clasificación mecánica de los flujos de detritos (ver Figura 37), la concentración de 38 % v/v indica que el flujo de detritos de la Quebrada de Macul podŕıa encontrarse en un régimen inercial o viscoso. Sin embargo, para poder conocer el régimen de flujo, será necesario estimar los adimensionales de Bagnold y Savage los cua- les dependen de la viscosidad del fluido. Como se ha mencionado anteriormente, la viscosidad del fluido intersticial depende de la concentración de limos y arcillas por lo que es necesario estimar la concentración de finos en los flujos aluvionales de la Quebrada de Macul. La Figura 32 (Sección 2) muestra la curva granulométrica de los sedimentos encontrados en la Que- brada de Macul. En ella se observa que el contenido de finos es sumamente bajo. Posiblemente, dicho resultado esté influenciado por la metodoloǵıa escogida para determinar la curva granulométrica su- perficial, motivando aśı, la realización de una campaña de terreno para determinar el contenido de limos y arcillas disponible en las laderas de la Quebrada a si como en vestigios de deslizamientos anteriores que potencialmente podŕıan ser arrastrados y llegar al cauce principal (ver sección 3.2.3). 5.1. Contenido de Finos y Viscosidad Fluido Intersticial Como resultado principal de las muestras analizadas tras la campaña de terreno descrita en la sección 3.2.3 y Anexo D, se obtiene que el porcentaje de finos es de un 0.83 % lo que tiene un impacto despreciable en la reoloǵıa del fluido intersticial. Considerando que esta concentración fuese del 1 %, la viscosidad del fluido intersticial seŕıa de 1.03 cp, es decir, se puede considerar que prácticamente es igual a la del agua (ver Anexo E). 5.2. Clasificación de aluviones en la Quebrada de Macul Considerando la granulometŕıa encontrada en el cauce de la Quebrada de Macul (Tabla 16), y los parámetros f́ısicos indicados en la Tabla 17, los números adimensionales de Bagnold, Savage y Friccional toman los siguientes valores (Tabla 15): Tabla 15: Números adimensionales de la Quebrada de Macul en prototipo. N◦ Adimensional Magnitud Ba 5.35·105 Sa 0.05 Nf 1.15·107 Es decir, en la Quebrada de Macul, el aluvión de 1993 tuvo un régimen inercial Ba > 450, pero un flujo dominado por la fricción entre las part́ıculas ya que Sa < 0.1. Sin embargo, dada la con- MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 61 Tabla 16: Diámetros caracteŕısticos en mm para la Quebrada de Macul d10 d50 d90 43.3 181.3 1782 Tabla 17: Parámetros f́ısicos para modelo y prototipo. Parámetro Prototipo Modelo φ 0.380 0.380 φ∗ 0.644 0.644 U (m/s) 8.333 1.500 H (m) 3.000 0.100 ds (m) 0.181 0.036 λ1/2 2.281 2.281 ∂u/∂z 2.778 15 µ (Pa·s) 0.001 0.032 rhos (kg/m3) 2650.000 2650.000 rhof (kg/m3) 1000.000 1000.000 centración de 0.38 % en volumen y según la clasificación mecánica de Takahashi (2014) (Figura 37) dif́ıcilmente el flujo podŕıa haber estado dominado por la fricción entre las part́ıculas. Además, dado los grandes clastos observados en la Qebrada de Macul y que han sido transportados por este tipo de flujos, es probable que la transferencia de momentum debido a las colisiones entre las part́ıculas esté dominada por las part́ıculas más grandes. En ese caso y considerando el d90, el número de savage toma el valor de Sa = 4.5 manifestando aśı el predominio de las colisiones entre las part́ıculas por sobre la fricción entre ellas (ver Tabla 18). Por último, el parámetro H/dp (ver Figura 37) toma los siguientes valores: Tabla 18: N◦ de Savage y escala relativa de longitudes H/dp en función del diámetro del sedimento en la Quebrada de Macul en prototipo dp (m) Sa H/dp d50 0.181 0.05 16.5 d90 1.782 4.51 1.7 donde H = 3 m es la altura de escurrimiento estimada en el aluvión de 1993 para el frente de mayor magnitud. Finalmente, la tabla anterior muestra que la escala relativa de longitud H/dp toma valores de 16.5 y 1.7 para el d50 y d90 respectivamente. Esto, según la calsificación dinámica de Takahashi (2014) y, considerando el d90 - dada la importancia de los grandes clastos en la transferencia de momentum asociada a las colisiones - indica que el flujo seŕıa del tipo pedregoso. Por lo tanto, y en base a lo expuesto anteriormente y a la escasez de antecedentes de aluviones previos en la Quebrada de Macul, se considerará para ésta consultoŕıa que el aluvión a reproducir se encuentra en el régimen inercial dominado por las colisiones entre las part́ıculas por sobre los esfuerzos friccionales y viscosos. Es decir, se busca reproducir en laboratorio un flujo con Ba>450, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 62 Sa>0.1 y H/dp<10. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 63 6. Escala Modelo F́ısico 6.1. Efectos de Escala El llevar un fenómeno natural (prototipo) a un modelo a escala reducida, trae muchas veces consigo efectos de escala. Los efectos de escala son la imposibilidad de representar todas las caracteŕısticas ya sea geométricas o f́ısicas (fuerzas) que están presentes en el fenómeno natural que se quiere estudiar producto del escalamiento del fenómeno para que pueda ser estudiado dentro de un espacio reducido como lo es un laboratorio. En el caso de los flujos aluvionales los efectos de escala son los siguientes: Dependiendo de la escala utilizada, una fracción de la curva granulométrica escalada tendrá diámetros inferiores a 74 µm, por lo que pasarán a ser parte del fluido intersticial. Es decir, no se podrán modelar los esfuerzos asociados a las colisiones de esas part́ıculas y tendrán que ser considerados como parte del fluido intersticial. Sumado a lo anterior, está el tamaño de sedimentos tamizados que se pueden encontrar en el mercado. Tal como se describió en el análisis dimensional realizado en modelos a escala reducida (sección 4.1), la correcta representación de las fluctuaciones de presión de poros implica viscosidades del fluido intersticial exageradas que para flujos en prototipo turbulentos y dominados por las colisiones entre las part́ıculas, en modelo seŕıan macroviscosos. Dado que no se puede, en el caso de la Quebrada de Macul, aumentar la viscosidad del fluido intersticial para mantener tanto en modelo como en prototipo el mismo efecto en la generación y difusión de la presión de poros que permite que los flujos detŕıticos se mantengan fluidizados por varios kilométros transportando grandes clastos, la distancia recorrida en modelo será sumamente baja y de tan solo algunos metros pues, la disfusión del exceso de presión de poros será sumamente rápida. Uno de los modelos f́ısicos más grandes construidos en la actualidad es el canal de la USGS, el cual es capaz de descargar cerca de 6 m3 de mezcla sólido-ĺıquido por un canal de 100 m de largo y logra “run outs” alrededor de ∼20 m. Dado los efectos de escala mencionados anteriormente, y la imposibilidad de representar toda la f́ısica de un aluvión, se debe buscar una escala del modelo y una viscosidad del fluido intersticial que permita reproducir en modelo un flujo aluvional en el mismo régimen de los aluviones esperados en la Quebrada de Macul, es decir, flujo inercial turbulento dominado por las colisiones entre las part́ıculas. 6.2. Reoloǵıa Fluido Intersticial en Modelo Diversos autores (Iverson 1985, Mayor 1992, Montserrat 2005, Iverson et al. 2010, Takahashi 2014, entre otros), indican que muchos flujos detŕıticos ocurridos en la naturaleza pueden modelarse como un fluido equivalente tipo Bingham, sobre todo para flujos con alto contenido de fino. Esto, porque el esfuerzo de fluencia da cuenta de los esfuerzos friccionales entre las part́ıculas. La ley constitutiva de un fluido tipo Bingham es: τ(z) = τy + η ∂u ∂z (23) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 64 donde τ es el esfuerzo de corte a una altura z, τy el esfuerzo de fluencia, η la viscosidad de Bingham y ∂u/∂y la tasa de deformación angular. Por lo tanto, en modelo f́ısico se utilizará como fluido intersticial una mezcla de agua con bentonita que tiene un comportamiento reológico No-Newtoniano bien representado por el modelo tipo Bing- ham. Se realizarón ensayos reológicos utilizando el reómetro modelo Reholab-QC de la marca Anton Paar, propiedad del Laboratorio de Reoloǵıa del departamento de Ingenieŕıa Civil de la Universidad de Chile, para distintas concentraciones en peso de la mezcla agua-bentonita. Estas concentraciones fueron 6, 8 y 10 % p/p, entregando los resultados indicados en la Tabla 19. Tabla 19: Reoloǵıas de la mezcla agua-bentonita para distintas concentraciones en peso Cp, donde η es al viscosidad de Bingham y τy el esfuerzo de fluencia. Cp % Parámetro 6 η [Pa · s] 6.4 τy [Pa] 0.2 8 η [Pa · s] 12 τy [Pa] 1.4 10 η [Pa · s] 15.0 τy [Pa] 10.5 La concentración de la mezcla agua-bentonita y por ende su viscosidad, dependerá de la escala escogida para el modelo. 6.3. Modelo F́ısico 0: Canal de Generación del Aluvión Previo a la definición de la escala del modelo f́ısico, se realizó una instalación experimental deno- minada ”Modelo 0”para establecer las condiciones experimentales necesarias para reproducir un aluvión completamente desarrollado, es decir, que los sólidos más grandes viajen en el frente del aluvión, y los más finos hacia la cola de éste (ver Figura 39). Figura 39: Forma t́ıpica de un aluvión. Luego de varios ensayos experimentales (ver Anexo F), se logró la configuración experimental final para el canal de generación del aluvión que consiste en un canal rectangular de 40 cm de ancho, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 65 pendiente de 30◦ y 8 m de largo. La mezcla detŕıtica se encuentra almacenada en el estanque de mezcla y es liberada tras la apertura rápida de una compuerta. La velocidad del flujo a la entrada de los decantadores debe ser comparable con aquella estimada en el aluvión de 1993 (∼8 m/s). Para ello, la compuerta que libera el flujo sólo se abre 15 cm logrando una descarga paulatina de la mezcla detŕıtica sobre el canal. Además, se incrustaron piedras asociadas al d90 de la curva granulométrica en el fondo y paredes del canal con el fin de incrementar las colisiones entre las part́ıculas y disminuir la velocidad del frente. Las Figuras 41 y 40 muestran un esquema conceptual y una imagen real del canal de generación diseñado en el modelo 0 respectivamente. Figura 40: Modelo 0: canal de generación del aluvión. Compuerta 0.8 m 8.2m Zona de Transición Zona del RunOut Figura 41: Modelo 0: Esquema canal de generación del aluvión. 6.4. Escalamiento modelo f́ısico Como se ha mencionado, se debe reproducir en modelo f́ısico un flujo detŕıtico en régimen inercial dominado por las colisiones entre las part́ıculas por sobre los esfuerzos viscosos y friccionales, es MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 66 decir, Ba > 450, Sa > 0.1 y H/dp < 10. Dado que en modelo f́ısico se utilizará como fluido intersticial un fluido tipo Bingham, el número de Bagnold se escribe como: NBag = ρsλ 1/2d2 s ( ∂u ∂y )2 τy + η ∂u∂y (24) donde la viscosidad en la ecuación 12 fue reemplazada por la viscosidad aparente µa definida como µa = τ/γ̇, mientras que la tasa de deformación angular puede ser estimada como ∂u/∂y ∼ U/H con U la velocidad media del flujo y H la altura de escurrimiento. En primer lugar, y tal como aparece en las bases del estudio, el modelo f́ısico a diseñar debe estar entre una escala 1:40 a 1:80. La Tabla 20 muestra los números adimensionales de Bagnold para distintas escalas y para las distintas viscosidades estudiadas. De esta tabla se desprende que tanto para las mezclas agua-bentonita a concentraciones peso peso (Cp) al 6 % y 8 % el flujo de detritos se encuentra en régimen inercial solo para las escalas 1:40 y 1:50. En cambio para Cp = 10 %, este se encuentra en régimen de transición para éstos casos. Es importante mencionar que el número de Bagnold se estimó considerando el d90 de los sedimentos ya que en el canal de generación del aluvión (ver Figura 40) se dispuso de part́ıculas de tamaños del orden de 3 a 4 cm comparables con el d90 de la curva granulométrica a escala que permiten aumentar la rugosidad del cauce y diminuir la velocidad del frente aluvional. Por lo tanto, es de esperar que las colisiones entre las part́ıculas y la transferencia de momentum ligada a ésta este dominada por este tamaño de part́ıculas. Tabla 20: N◦ de Bagnold para distintas escalas considerando los fluidos tipo Bingham. Escala d90 Bagnold Prototipo Cp 6 % Cp 8 % Cp 10 % Prototipo 1.782 533096 - - - 1:40 0.045 - 3726 817 304 1:50 0.036 - 2384 523 195 1:60 0.030 - 1656 363 135 1:70 0.025 - 1217 267 99 1:80 0.022 - 931 204 76 Una pregunta que surge del análisis anterior es, por qué no disminuir la viscosidad del fluido agua- bentonita de tal manera que el aluvión escalado se encuentre en el régimen inercial a escalas más pequeñas?. La respuesta a esta pregunta tiene relación con la factibilidad de generar el frente alu- vional. De todas las experiencias realizadas que buscaban generar un frente aluvional desarrollado, se encontró que: La condición ideal seŕıa tener suspendidas todas las part́ıculas (arenas y gravas) en el estanque para mantener la mezcla homogénea previo a la apertura de la compuerta. Para descargar el volumen de detritos de una manera más controlada y poder disminuir la velocidad del frente, la apertura de la compuerta es de solo 15 cm y no completa. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 67 El punto anterior tiene una consecuencia. Con la apertura parcial de la compuerta (15 cm), si las arenas no se mantienen suspendidas, una porción importante del material detŕıtico se queda depositado en el estanque y no fluye a través del canal. Para que las arenas se mantengan suspendidas previo a la apertura parcial de la compuerta, la mezcla agua-bentonita debe ser preparada a concentraciones peso peso iguales o superiores al 7 %. Por lo tanto, no es posible desarrollar el modelo f́ısico a una escala inferior a 1:50 pues no se podŕıa mantener las arenas suspendidas y generar un aluvión en el régimen inercial. Por otro lado, es importante que la escala permita reproducir las velocidad del flujo aluvional esti- mada en el Quebrada de Macul a la entrada de la piscina 1 de tal manera que el impacto del flujo contra las estructura de desvió a diseñar sea comparable con el prototipo. Como se ha indicado anteriormente, se modificó la rugosidad del cauce incrustando piedras entre 3 a 4 cm de diámetro tanto en el fondo como paredes del canal de tal manera que permitieran disminuir la velocidad del frente aluvional. La velocidad máxima alcanzada por el segundo frente del aluvión de 1993 en la Quebrada de Macul fue de 8.3 m/s. Es decir, a escala 1:40 y 1:50 la velocidad seŕıa de 1.3 y 1.2 m/s respectivamente. Tanto en la escala 1:40 y 1:50 se logra el régimen inercial del flujo para mezclas agua-benonita a concentraciones Cp=7 % y Cp=8 %. Las velocidades, también son muy similares y, por lo tanto, dado el espacio f́ısico disponible en el laboratorio del Instituto Nacional de Hidráulica para la cons- trucción del modelo f́ısico, se prioriza su construcción a una escala 1:50. Sólo queda confirmar que se cumpla la condición de Sa > 0.1 y H/dp < 10, tal como se muestra en la tabla 21, donde se consideró el d90 como diámetro representativo de los sedimentos y una altura de escurrimiento H∼10 cm observada en los diversos experimentos realizados en el modelo 0. Tabla 21: Números de Bagnold Ba, Savage Sa y Altura relativa H/dp para el flujo de detritos a escala 1:50. N◦ Prototipo Cp 6 % Cp 8 % Cp 10 % Ba 533096 2384 523 195 Sa 4.51 1.01 1.01 1.01 H/dp 1.68 2.81 2.81 2.81 6.4.1. Escalamiento de la Curva Granulométrica Considerando que la escala geométrica es 1:50, la curva granulométrica a representar en modelo f́ısi- co 1:50 es la indicada en la Figura 42. En la misma figura, se presenta la curva granulométrica a escla 1:80 que será utilizada en un modelo f́ısico a escala 1:80 denominado “Maqueta” el cual es construido previo al modelo f́ısico escala 1:50 para probar distintas alternativas de obras de desv́ıo aluvional. El objetivo y caracteŕısticas principales de la maqueta se indican en el siguiente caṕıtulo del estudio. Por último, es importante destacar, que aquellos sedimentos que al ser escalados caen en el rango de finos ds < 74µm, no podrán ser modelados. Esto ocurre para las part́ıculas de diámetro 3.7 mm MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 68 y 5.9 mm en prototipo para las escalas 1:50 y 1:80 respectivamente. 10−1 100 101 102 103 104 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p a sa Prototipo 1:50 1:80 Figura 42: Curvas granulométricas escaladas. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 69 7. Maqueta Conceptual: Definición de Obra de Desv́ıo A conocimiento de los autores de este estudio, no se encontraron en la literatura obras de control aluvional capaces de desviar un porcentaje predeterminado del flujo detŕıtico. Debido a esto, se decidió diseñar y construir una maqueta conceptual que permita evaluar distintas obras de desv́ıo aluvional (Alternativas) para aśı determinar la obra de desv́ıo que cumpla con el objetivo de desviar un 80 % del flujo hacia la Hondonada, la cual será construida en el modelo f́ısico a escala 1:50 (ver sección 6.4). La escala escogida para la maqueta conceptual es 1:80, aunque si bien no estaremos en todos los ensayos en el régimen esperado (Ba>450), śı nos dará una idea de la obra a diseñar y construir en el modelo 1:50. De esta manera, al ser un modelo más pequeño, nos permite realizar varios ensa- yos experimentales y estudiar el comportamiento hidrodinámico de varias alternativas en un menor tiempo de ejecución. La diferencia principal entre la maqueta (1:80) y el modelo f́ısico (1:50), consiste en que la maqueta solo considera las piscinas 1 y 2 con sus dimensiones, pendientes y taludes principales, mientras que el modelo f́ısico considera todo el sistema de control aluvional desde el decantador n◦1 hasta el decantador n◦5 incluyendo la hondonada y la topograf́ıa en detalle. Se estudian 4 alternativas de obras de desv́ıo aluvional, las cuales se describen a continuación. 7.1. Descripción Alternativas La alternativa n◦1 consiste en utilizar las presas o “check dams” que ya están construidas en la actualidad y construir el vertedero lateral diseñado (ver Anexo G) en la ribera sur del decantador n◦1, tal como se muestra en la Figura 43A. La alternativa n◦2 consiste en mantener el vertedero de la Alternativa n◦1 y reemplazar la presa del decantador n◦1 por una presa de apertura vertical en dirección diagonal de 45◦ tal como se muestra en la Figura 43B. Si bien Mizuyama et al. (1995) sugiere utilizar una separación entre los elementos entre 1.5-2d95, en el caso de la Quebrada de Macul el d95 es cercano a los 3 metros que son rocas de gran envergadura y no necesariamente serán movilizadas por eventos menores. Por tal motivo, se ha decidido utilizar el d90 = 1.78 metros. Contemplando lo anterior se define una separación entre pilares de 2 d90, obteniendo una eficiencia de retención del 73 %, según la ecuación 3. La alternativa n◦3 es una presa de apertura vertical curva tangente al talud norte del decantador n◦1 y tangente al vertedero, buscando aśı disminuir el impacto del aluvión en los pilares y aumentar el flujo hacia la hondonada. Además considerando que las rocas de 1 metro de diámetro son po- tencialmente destructivas, se diseña el nuevo espaciamiento entre pilares con 1.5 veces el diámetro de dichas rocas quedando un espacio entre pilares en prototipo de 1.5 metros. En la Figura 43C se muestra la configuración de la alternativa 3. La alternativa n◦4 reemplaza los pilares por un muro curvo de 0.2 metros escala modelo, dejando un arreglo de pilares en el eje central del decantador n◦1. Se consideraron 4 pilares con un espaciamiento MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 70 de 1.5 veces el diámetro de rocas de 1 metro. En la Figura 43D se muestra la configuración. Mayor detalle del diseño de dicha alternativa se encuentra en el Anexo G. Figura 43: Esquema de Alternativas 1, 2, 3 y 4. 7.2. Resultados y Análisis A continuación se muestran los resultados de los ensayos realizados en el modelo a escala redu- cida 1:80, de las 4 alternativas antes mencionadas para desviar el flujo hacia la Hondonada. Más información acerca de la construcción, metodoloǵıa y material audiovisual de los ensayos puede ser consultada en el Anexo G y Digital. La Tabla 22 muestra los resultados obtenidos para cada uno de los ensayos realizados, considerando viscosidades aparentes (µa) del fluido intersticial de 87,4 y 98.6 veces la viscosidad del agua. La concentración volumétrica de sólidos (φs) se mantuvo constante en todos los ensayos e igual al 38 %, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 71 tal como se estimó para el aluvión de 1993. Las velocidades del frente aluvional fueron estimadas utilizando la técnica de PIV justo a la salida del canal de generación. La eficiencia Ef de cada una de las obras de desv́ıo ensayadas se define como, Ef = MH (M2 +M3 +MH) · 100 (25) donde M2,M3 y MH son la masa de material retenido en el decantador N◦2, 3, y Hondonada respectivamente. La masa retenida en el decantador n◦1, no es considerada puesto que esta po- tencialmente habŕıa sido desviada si es que el aluvión no se hubiese detenido. Recordemos, que debido a efectos de escala propios del escalamiento de flujos de detritos, estos no son capaces de mantenerse fluidizados por largas distancias en modelos f́ısicos a escala reducida tal como ocurre en la naturaleza (ver Figura 6). Tabla 22: Eficiencia de la obra de desv́ıo según Alternativs. M1, 2, 3 y H, corresponden a la masa de material depositado en el decantador N◦1, 2, 3 y Hondonada respectivamente. % GVD hace referencia al porcentaje de gruesas mayores a 1 m en prototipo (2 cm en modelo) desviadas hacia la hondonada. Alternativa Cp [ %] U [m/s] M1 [KG] M2 [KG] M3 [KG] MH [KG] % GVD Ef 1 10 - 27.39 63.19 51.54 16.87 17 13 % 1 10 - 29.96 51.22 88.11 7.99 6 5 % 1 8 - 38.3 50 55 19 25 15 % 1 8 2.11 44.8 52.5 56 16 18 13 % 1 8 1.79 52.81 57.71 37.14 13.24 17 12 % 2 8 1.24 30.5 83 18.3 28 56 22 % 2 10 1.75 31.4 94 20 31 52 21 % 2 7 3.14 34.8 85.95 18.8 20.75 48 17 % 3 8 2.1 22.54 78.11 7.6 61.13 84 42 % 4 8 3.5 33.741 16.395 0 113.874 97 87 % 4 7 2.43 46.615 14.14 0 82.44 93 85 % Los resultados muestran una mejora considerable en el desv́ıo del flujo para la Alternativa 4 en comparación con las Alternativas 1, 2 y 3. Es más, el porcentaje de material desviado está por sobre el 80 %, indicando que pese a la simplificación del cálculo de la presa de apertura vertical utilizando ecuaciones para el vertedero (ver Anexo G), el diseño entregó resultados aceptables. Otro resultado importante es que casi todas las piedras de magnitud superiores a 1 m en prototipo, consideradas con un alto poder destructivo, fueron desviadas. Estas piedras, fueron pintadas en verde durante los ensayos. La Figura 44 muestra una imagen del funcionamiento de las obras de desv́ıo para cada una de las alternativas estudiadas. Es claro ver en estas imágenes un buen desarrollo del frente aluvional, con las part́ıculas más gruesas, pintadas de color verde, ubicadas en el frente de éste. En todos los ensayos realizados, a excepción de la Alternativa n◦1, no hubo bloqueo de la presa de apertura vertical tipo “Slit Dams”, debido a que el flujo desviado hacia la hondonada remueve las MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 72 piedras que son retenidas por la presa, dejando pasar gran parte de la cola del aluvión (material más fino) hacia los decantadores. Éste problema se resuelve en gran medida con la Alternativa n◦4, en que solo la parte central de la obra de desv́ıo presenta una apertura que permite el paso del flujo hacia los decantadores. Por lo tanto, la Alternativa n◦4 se usará como obra de desv́ıo a construir en el modelo f́ısico escala 1:50. Para acercarse más al objetivo del 80 % flujo desviado y suponiendo que cada apertura de la presa vierte el mismo caudal, se debiese agregar un quinto pilar para aśı tener una apertura extra y acercarse al 80 %. Figura 44: Esquema de Alternativas 1, 2, 3 y 4. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 73 8. Ensayo de Pulso Aluvional y Diagnóstico de Alternativa Selec- cionada en Modelo F́ısico Escala 1:50 Una vez seleccionada la alternativa 4 vista en la sección 7, se lleva a un modelo f́ısico a escala reducida 1:50, donde se ensaya su funcionamiento a diferentes viscosidades aparente (µa) del fluido intersticial y concentraciones volumétricas de sólidos (φs). A continuación se muestra la instalación experimental, los resultados de los ensayos y su respectivo diagnostico. 8.1. Instalación Experimental La instalación experimental (ver Figura 45 y 46), está formada por el sistema de preparación del material detŕıtico, un estanque de mezcla, una compuerta de apertura rápida, un canal de gene- ración, decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5, obra de desv́ıo, Hondonada, estanque receptor y sistemas de medición. Cada una de estas partes se detallan a continuación aunque mayor detalle puede revisarse en los planos 4359 - 1 a 5: Figura 45: Vista frontal instalación experimental. Posee un ancho máximo de 6.8 m y un largo de 20 m sin considerar el canal de generación. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 74 Camara Sensor 1 2 3 4 5 6 8 9 2 4 5 6 7 (a) (b) Figura 46: Figura esquemática de la instalación experimental del modelo f́ısico escala 1:50. (a) Vista lateral. (b) Vista en Planta. (1): Sistema de preparación del material detŕıtico. (2): Estanque de mezcla. (3): Compuerta de apertura rápida. (4): Canal de generación. (5): Decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5. (6): Obra de desv́ıo. (7): Hondonada. (8): estanque receptor. (9): Sistemas de medición. 8.1.1. Metodoloǵıa Ensayos Modelo F́ısico 1:50 La metodoloǵıa utilizada en cada ensayo de medición es la siguiente: Preparación de la mezcla agua bentonita a la concentración peso/peso deseada. Esta mezcla se realiza dentro de un estanque plástico de 1000 litros por una bomba centrifuga sumergible que recircula el agua dentro del estanque. El proceso de mezclado se facilita al pasar el agua con la bentonita por los álaves o aspas de la bomba y finaliza cuando los grumos se han eliminado por completo. Dicha mezcla se prepara 1 d́ıa antes del respectivo ensayo, producto que la bentonita sufre una maduración, aumentando su viscosidad. Es importante indicar que los ensayos reológicos del fluido intersticial fueron realizados al d́ıa siguiente de realizada la mezcla. Preparación del sedimentos considerando la curva granulométrica encontrada en terreno a escala 1:50. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 75 Se pesa y almacena en baldes la mezcla agua bentonita. Cabe destacar que el volumen total de mezcla sólidos-ĺıquido es constante e igual a 0.4 m3, variando entre ensayos la concentración volumétrica de sedimentos. Para tener una mezcla lo más homogénea posible, se mezcla en una betonera el fluido inters- ticial agua-bentonita con los sedimentos menores a 2 mm (rango de arenas). La mezcla del fluido con las arenas realizada en la betonera, es izada através de un sistema de poleas, en baldes de 20 litros al estanque de mezcla. Posteriormente, son izadas y vertidas las gravas (ds>2 mm) en el estanque de mezcla. Esto para que las gravas que tienen una gran capacidad de sedimentar, estén retenidas en el estanque de mezcla el menor tiempo posible. En simultáneo con la subida de los sedimentos al estanque de mezcla, se instalan los instru- mentos de medición: cámaras y sensores ultrasónicos. Una vez que todo el material se encuentra en el estanque de mezcla, los instrumentos empiezan a grabar. Se libera un peso de 50 kilos, que tracciona la compuerta y la abre instantáneamente 15 cm. Esta altura se fija para que la salida del flujo sea más controlada y no se libere todo de golpe, disminuyendo aśı la velocidad del frente. Una vez que el flujo se detiene, se toman fotograf́ıas del depósito final al material que quedó en el decantandor n◦1, al que fue desviado a la hondonada y al que pasó a través de la obra de desv́ıo, con el objetivo de caracterizar de forma visual la granulometŕıa por sector. Retiro por separado del material depositado en la Hondonada, decantador n◦1, y lo que pasa más allá de la obra de desv́ıo. Este material es lavado para retirar la bentonita, puesto a secar y posteriormente pesado, para aśı poder determinar el porcentaje de material desviado y retenido. Análisis granulométrico del material depositado en cada una de las zonas mencionadas ante- riormente. Análisis de los datos obtenido por los sensores ultrasónicos y cámaras. 8.1.2. Conjunto de Ensayos Se realiza un conjunto de ensayos variando la concentración en peso de bentonita (Cp = 7, 8 y 10 %) con viscosidades aparentes en modelo del orden de 25, 40 y 200 cp respectivamente y tres concentraciónes volumétrica de sólidos (Cv = 38, 45 y 50 %), manteniendo constante el volumen descargado y la curva granulométrica. Más detalle de la construcción del modelo f́ısico, sistemas de medición, puesta en marcha y ensayos se pueden ver en los Anexos H, I y Digital. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 76 Tabla 23: Matriz de ensayos. La viscosidad aparente depende de ∂U/∂z ∼ U/H por lo que es estimada considerando U ∼ 4 m/s y H ∼ 0.1m según lo medido en los ensayos. N Ensayo Cp[ %] Cv[ %] µa[cp] 1 7 38 25 2 8 38 40 3 10 38 225 4 7 45 25 5 8 45 40 6 10 45 225 7 7 50 25 8 8 50 40 9 10 50 225 8.2. Análisis de Resultados En la Tabla 24, se detallan los resultados mas relevantes de cada ensayo. Mayor detalle de cada ensayo, asi como el cálculo de la velocidades y curva granulométrica utilizada puede ser consultado en el Anexo I. La velocidades máximas y medias son tomadas en el punto indicado en la Figura 47. Tabla 24: Eficiencia de la obra de desv́ıo para diferentes viscosidades y concentraciones volumétricas. M1, M2 y H, corresponden a la masa de material depositado en el decantador N◦1, 2 y Hondonada respectivamente. Ensayo Cp % Cv % Umedia [m/s] Umax [m/s] M1 [Kg] M2[Kg] H[Kg] Ef Cp7Cv38 7 38 2.12 4.86 42.7 38.7 264.9 87.3 % Cp7Cv45 7 45 1.95 4.45 - - 150.5 - Cp7Cv50 7 50 1.55 3.93 - - 333.3 - Cp8Cv38 8 38 2.69 4.78 59 40.4 255.7 86.4 % Cp8Cv45 8 45 2.29 4.46 80.8 41.3 314.4 88.4 % Cp8Cv50 8 50 1.95 4.56 121.2 17.2 397.5 95.9 % Cp10Cv38 10 38 1.69 3.58 59.87 41.96 263.2 86.3 % Cp10Cv45 10 45 2.45 4.8 82.2 34.5 323.6 90.4 % Cp10Cv50 10 50 2.32 4.42 135.05 10.5 338.5 97.0 % MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 77 Figura 47: Punto de extracción de velocidad máxima y media. En la Tabla 24, no es claro concluir que la variación en la viscosidad del fluido intersticial (variación de Cp) tenga un efecto significativo en la eficiencia de la obra. En cambio, la variación en la concen- tracion volumétrica de sólidos śı tiene un efecto en la eficiencia de la obra. A mayor concentración volumétrica de sólidos, mayor es el material desviado hacia la Hondonada. Este efecto se puede apreciar en las Figuras 48, 49 y 50, donde se observan ciertos clastos bloqueando la obra de desv́ıo permeable a medida que aumenta la concentración volumétrica de sólidos (φs). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 78 (a) (b) (c) Figura 48: Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos correspondientes a la concentración agua-bentonita Cp al 7 % p/p. (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 79 (a) (b) (c) Figura 49: Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos correspondientes a la concentración agua-bentonita Cp al 8 % p/p. (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 80 (a) (b) (c) Figura 50: Bloqueo parcial de la obra de desv́ıo vista desde la cara frontal. Ensayos correspondientes a la concentración agua-bentonita Cp al 10 % p/p. (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 %. Un aspecto relevante que se detecta en los ensayos, fue la cantidad de material depositado en el decantandor n◦1. A modo de ejemplo, la Figura 51 muestra el deposito en el decantandor n◦1 para φs = 45 % y φs = 50 %. La inquietud que surge es: ¿si ocurriese un segundo pulso aluvional, consi- derando el material ya depositado aguas arriba de la obra de desv́ıo, podŕıa quedar inoperativa la obra desv́ıo producto de un ecceso de acumulación de sedimentos? Para resolver la inquietud anterior, se realizan dos ensayos extras que contemplan la liberación de dos pulsos aluviones seguidos a diferentes tiempos uno del otro. Entre ambos pulsos, se bombea un caudal ĺıquido de agua con bentonita asociado al caudal de 80 m3/s del aluvión de 1993. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 81 (a) (b) Figura 51: Material depositado al final del ensayo en el decantador 1.(a) Concentración Bentonita al 8 % y φs = 0.45. (b) Concentración Bentonita al 8 % y φs = 0.50. 8.2.1. Ensayos doble pulso Los dos ensayos son realizados con una concentración de bentonita del 8 % p/p y φs = 45 %. En el primero de ellos, se producen dos pulsos casi simultáneos con una diferenica en la llegada del frente a la obra de desv́ıo del orden de ∆t ∼ 3 seg. En el segundo ensayo, se realizan dos pulsos separados por un ∆t ∼ 12 seg. Cabe destacar que en ambos ensayos se alimenta constantemente con un caudal de bentonita al 8 % p/p mediante una bomba. El caudal corresponde a 80 m3/s en prototipo, el cual es asociado al aluvión de Mayo de 1993. Para desarrollar los dos pulsos en el modelo f́ısico a escala 1:50, se habilitó una segunda compuerta en la zona del estanque de carga (ver Figura 46), separando el estanque en dos compartimientos independientes cada uno de 0.4 m3. Además se instaló una bomba sumergible en un estanque de mezcla localizado a 2 metros de la descarga. La mezcla fue tal que garantizará un caudal constante por aproximadamente 20 segundos (tiempo que dura el ensayo). A continuación se muestra la Tabla 25 con la efectividad de la obra y los pesos finales en cada sector. Por otra parte, en las Figuras 52, 53, 54 y 55 se presenta un secuencia de cada ensayo, sus velocidades en la entrada y el estado en que queda el decantador n◦1. Tabla 25: Eficiencia de la obra de desv́ıo para el caso de dos pulsos. Ensayo Cp Cv Umedia m/s Umax m/s M1 M2 H Ef Cp8Cv45 Simultaneo 8 45 2.42 4.66 90.1 107.65 731.63 87.2 % Cp8Cv45 Separado ∆t 8 45 2.34 5.75 46.7 125.1 738.31 85.5 % MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 82 A B C D Flujo Fl u jo Flujo Fl u jo Figura 52: Secuencia ensayo pulso casi simultáneo. (a) Vista desde Arriba, el punto rojo señala donde se extrajo la velocidad de la Figura 54. (b) Vista desde aguas abajo. (c) Vista desde la obra de desv́ıo. (d) Vista desde el vertedero lateral. A B C D Flujo Fl uj o Flujo Flu jo Figura 53: Secuencia ensayo pulsos separados por un ∆t. (a) Vista desde Arriba, el punto rojo señala donde se extrajo la velocidad de la Figura 54. (b) Vista desde el vertedero. (c) Vista desde la obra de desv́ıo. (d) Vista aguas arriba del vertedero lateral. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 83 (a) (b) Figura 54: Magnitud de la Velocidad en la entrada del decantador 1 (punto rojo en Figuras 52 y 53). (a) Ensayo pulso casi simultáneo. (b) Ensayo separado ∆t. La ĺınea roja representa la media movil. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 84 Flujo (a) Flujo (b) Figura 55: Estado Final del decantador 1. (a) Ensayo pulso simultáneo. (b) Ensayo separado ∆t.La ĺınea roja respresenta el contorno de material depositado que podŕıa eventualmente disminuir el porcentaje de mateiral que pasa hacia de los decantadores. Como se observa en la Figura 55, no se encuentra material sedimentado en el centro del decantandor n◦1. Esto muestra que tanto el segundo pulso como el caudal de agua-bentonita tiene el suficiente potencial de arrastre para transportar los sedimentos hacia el vertedero o decantador n◦2. También se observa que en los costados del decantador se forma un depósito que bloquea los pilares, lo que podŕıa disminuir el porcentaje de flujo que pasa hacia los decantadores. 8.3. Diagnóstico Tanto en los ensayos de uno y dos pulsos aluvionales, se observó un desborde significativo en la zona donde empalma el muro de desv́ıo con el talud de la ribera sur de los decantadores (talud izquierdo en las imágenes, vista desde aguas arriba). En las Figuras 56, 57 y 58 se puede apreciar con ćırculo rojo la zona donde se produce el desborde. Dicho desborde se produce por los siguientes efectos: En primer lugar, existe un peraltamiento del flujo producto de la curvatura de la obra de desv́ıo. En segundo lugar, el talud sur del decantador n◦1 contiene el flujo y genera una onda que impacta directo con la barrera. En las figuras 56a a 58c se aprecia como el flujo que viaja por la ribera sur (ribera izquierda en las figuras), aún no siente que ha sido desviado por la obra de desv́ıo impactando de frente sobre ella. Finalmente, un tercer aspecto que puede ayudar a esta sobre-elevación es el angonstamiento que sufre el flujo. El flujo entra al decantador n◦1 en un ancho de aproximadamente 50 metros, pero, dado que el talud sur se mantiene recto mientras que el norte es curvo (obra de desv́ıo), se produce una contracción de la sección transversal del orden de un 20 % en la zona más desfavorable (ver Figura 59). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 85 (a) (b) (c) Figura 56: Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos correspondientes a la concentración con bentonita al 7 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 86 (a) (b) (c) Figura 57: Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos correspondientes a la concentración con bentonita al 8 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 87 (a) (b) (c) Figura 58: Desborde en el vértice entre la obra de desv́ıo y el inicio del vertedero. Ensayos correspondientes a la concentración con bentonita al 10 % (a) Concentración volumétrica del 38 %, (b) Concentración volumétrica del 45 % y (c) Concentración volumétrica del 50 % MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 88 1 m 0.8 m Figura 59: Medidas del ancho del decantador 1 (medidas corresponden a escala modelo f́ısico). Para poder disminuir el desborde antes señalado se plantean las siguientes tres soluciones (en el capitulo 9 se menciona como se implementan): Abrir el lado izquierdo (sur en prototipo) y dejar que el flujo se desarrolle libremente hacia la hondonada. De esta manera, no se generaŕıa la honda que impacta sobre la obra de desv́ıo y también no disminuye el ancho de la sección. Esto permitirá dar una idea del largo que debiese tener el vertedero. Bajar la altura de los pilares con respecto al muro, con el objetivo de dejar un vertedero y marcar una dirección preferente del flujo en caso de que el decantador n◦1 se llene. Aumentar la cantidad de pilares a lo largo del muro de desv́ıo, con el objetivo de favorecer la disipación de enerǵıa y con esto bajar las velocidades en la zona del desborde. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 89 9. Ensayo y Diagnóstico en Modificaciones del Modelo F́ısico Es- cala 1:50 Se realizaron 3 ensayos con diferentes modificaciones para ver el funcionamiento de la obra. A partir de las soluciones planteadas en la sección 8.3 se prueba la efectividad de combinarlas para obtener el mejor funcionamiento de la obra de desv́ıo. 9.1. Modificación 1, Apertura Ribera Sur Se realiza un ensayo con una mezcla detŕıtica a una concentración volumétrica de sólidos (Cv) de un 45 % v/v en que el fluido intersticial, mezcla agua-bentonita, es elaborada al 8 % p/p. Por lo tanto, se comparan los resultados con su śımil, el ensayo Cp8Cv45 de la sección 8. La modificación contempla abrir por completo el lado izquierdo (sur en prototipo) y rebajar los pilares de tal forma que estos actúen como vertedero hacia el decantador n◦2. Para el diseño de la cota umbral del vertedero, se consideró la misma cota que tiene el actual vertedero que separa al decantador n◦1 con el n◦2. El termino actual de la frase anterior, se refiere al sistema de decantadores construidos en 1993 y que se mantienen hasta el d́ıa de hoy. Por lo tanto, se rebajaron los pilares de 20 cm a 15.6 cm (escala modelo f́ısico). En la Figura 60, se puede apreciar como desaparece la onda originada por el talud de la ribera sur dejando que el flujo aluvional se desarrolle completamente hacia la hondonada, reduciendo en parte el desborde al final de la obra. Por otra parte, se observa que la zona con pilares de la obra actua como presa de apertura vertical. 3 m Figura 60: Ensayos correspondiente a al Modificación 1. En rojo se señala el desborde y las flechas indican el flujo hacia la Hondonada y al decantador 2. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 90 (a) (b) Figura 61: Estados Finales de los ensayo correspondiente a la modificación 1 y su homólogo previo a la modificación (Sección 8). (a) Ensayo Cp8Cv45, en rojo el material depositado en el decantador n◦2 por el desborde y en azul las part́ıculas mas gruesas (ver sección 8), (b) Ensayo Modificación 1, en rojo el material depositado en el decantador 2 por el desborde. En la Figura 61 se observan las diferencias con el ensayo homólogo sin la modificación. Respecto al desborde producido al final de la obra, la eliminación del talud sur del decantador n◦1 eliminó la onda que impactaba con la estructura, lo que se manifiesta en una clara disminución del volumen que desborda y en la cantidad de gruesos en el decantador n◦2. Sin embargo, si bien se redujo el desborde, aún está presente. Además, la eficiencia en el material desviado hacia la Hondonada es de un 93.1 % (ver tabla 26). Por lo tanto, se decide realizar una segunda modificación en que: Se aumentará la zona con pilares para acercarnos al objetivo de desviar un 80 % hacia la hondonada. El aumento de pilares, aumentará la colisión del flujo con éstos, incrementando las perdidas de enerǵıa, disminuyendo la sobre-elevación o peralte en la curva y reduciendo el desborde al final de la obra. 9.2. Modificación 2 y 3, variación del número de pilares Dado lo anterior, la modificación 2 consta de: Se mantiene la apertura total de la ribera izquierda. Se mantienen la misma curvatura de la obra de desv́ıo. Los primeros 1.66 m en modelo (83 m en prototipo) es una presa o muro impermeable, mientras que los siguientes 1.77 m en modelo (88.5 m en prototipo) hasta el empalme con el vertedero corresponden a una presa de apertura vertical formada por pilares. La separación entre los pilares es de 1.5 veces las rocas de 1m en prototipo (3 cm en modelo). De esta manera se busca incrementar la cantidad de material que pasa hacia los decantadores versus la modificación 1, aumentar las perdidas de enerǵıa en la obra de desv́ıo para disminuir la sobre-elevación del flujo y el desborde al final de la obra. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 91 La altura del muro impermeable como la de los pilares es de 0.2 m en modelo (10 m en prototipo), a excepción de los 5 pilares centrales (en el eje de los decantadores) que son rebajados a 0.156 m en modelo (7.8 m en prototipo) con el fin de generar un vertedero y una dirección preferente del flujo en caso de que la obra se vea superada. La modificación 3 es similar a la modificación 2, salvo que: los primeros 1.99 m en modelo (99.5 m en prototipo) corresponden a un muro impermebale y los siguientes 1.43 m en modelo (71.5 m en prototipo) hasta el empalme con el vertedero es una presa de apertura vertical formada por pilares separados 1.5 veces las rocas de 1 m en prototipo (3 cm en modelo). (a) (b) Figura 62: Ensayos correspondiente a las Modificaciones 2 y 3 (a) Ensayo Cp8Cv38 modificación 2, (b) Ensayo Cp8Cv38 modificacion 3. En la Figura 62 se observa como disminuye el desborde en comparación al ensayo homólogo Cp8Cv38 sin modificaciones (ver Figura 63). Figura 63: Ensayos correspondiente a Cp8Cv38 sin modificaciones. 9.3. Modificación 4 Durante la puesta en marcha de los ensayos solo con Bentonita (Sección 11), se observa que gran parte del flujo (al no contener material sólido) pasa a través de los pilares hacia los decantadores MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 92 y una fracción menor es desviada hacia la Hondonada. Esto genera desbordes en la zona de los decantadores. El efecto anterior es desfavorable en caso de que ocurriese una crecida ĺıquida o un flujo aluvional de granulometŕıa más fina. Se ha reportado en la literatura la existencia de flujos aluvionales de varios pulsos en que algunos pulsos arrastran material grueso y otros arrastran solo material fino, dentro del mismo evento aluvional. Por el motivo anterior, se decide construir una nueva modificación a la obra de desv́ıo que considera incorporar a la modificación 2 un muro impermeable de 2.25 m de altura (prototipo) en la base de los pilares, con una apertura central de 7.1 m (3 espaciamientos entre pilares). El muro impermeable de 2.25 m es semejante a 2·D84 = 2.2 m, pero, se establece como 2.25 m equivalentes a 4.5 cm en modelo por facilidades constructivas. La Figura 64 muestra la configuración final de la obra ensayada en laboratorio. 7.1 m Figura 64: Modificación 4. a) Obra de desv́ıo con dimensiones en prototipo. b) Obra de desv́ıo en ensayo con concentración en peso de mezcla agua bentonita al 8 % y 38 % en volúmen de sólidos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 93 Figura 65: Ensayos correspondiente al Cp8Cv38 modificación 4 9.4. Resumen Modificaciones La Figura 66, muestra un resumen de las modificaciones anteriormente descritas. Para simplificar la imagen, solo se muestran las dimensiones modificadas de manera correlativa, es decir, entre la modificación 1 y 2, 2 y 3, 3 y 4. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 94 Modificación 1 Modificación 2 Modificación 3 Modificación 4 Talud Sur Eliminado Pilares Rebajados 1.77 m 1.66 m 1.43 m 1.99 m Muro impermeable 4.5 cm 20 cm Pilar:15.6 cm e: 3 cm 1.77 m 1.66 m Figura 66: Resumen de las modificaciones 1, 2, 3 y 4 realizadas. M O D E L O H ID R Á U L IC O A E S C A L A R E D U C ID A P A R A E L D IS E Ñ O Y V E R IF IC A C IÓ N D E L S IS T E M A D E O B R A S A L U V IO N A L E S E N L A Q U E B R A D A D E M A C U L , R E G IÓ N M E T R O P O L IT A N A In f o r m e F in a l r e v B 9 5 9.5. Análisis de Resultados En la Tabla 26 se logra ver la eficiencia en el desv́ıo de las obras modificadas en comparación a su homólogo de la sección 8, que no teńıa modificaciones. La eficiencia de las modificación 2 y 3 bajó con respecto al ensayo sin modificaciones, pero se logra eliminar casi por completo el desborde, aún cuando los ensayos con las modificaciones lograron velocidades mayores del frente aluvional justo antes impactar sobre la obra de desv́ıo (Umedia, Umax, Tabla 26). Tabla 26: Eficiencia de la obra de desv́ıo para los ensayos con las modificaciones. Ensayo Umedia [m/s] Umax [m/s] M1 [Kg] M2 [Kg] H [Kg] Ef Cp8Cv45 Mod 1 3.2 4.99 68.75 26.3 353.3 93.1 % Cp8Cv38 Mod 2 3.5 5.234 26.15 86.5 259.35 75.0 % Cp8Cv38 Mod 3 3.48 5.146 31.58 77.1 230.57 75.0 % Cp8Cv38 Mod 4 3.22 5.26 54.5 38.8 297.25 88.5 % Cp8Cv38 sin Mod 2.69 4.78 59 40.4 255.7 86.4 % En general, la velocidad a la salida del vertedero tiende a disminuir con las modificaciones en comparación con aquellos ensayos sin modificaciones. Para ver este efecto se grafica en la Figura 68 las velocidades a la salida del vertedero y en la Tabla 27 se detallan las valores de las velocidades medias y máximas extraidas del punto indicado en la Figura 47. Figura 67: El punto rojo corresponde al punto de extracción de la velocidad mostrada en la Figura 68. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 96 Figura 68: Velocidades de los ensayos Cp8Cv38 sin modificación y con la modificaciones 2, 3 y 4. Tabla 27: Valores de las velocidades promedio y máxima de la Figura 68. Ensayo Vpromedio Vmax Cp8Cv38 1.584 2.869 Cp8Cv38 Mod2 1.093 2.198 Cp8Cv38 Mod3 1.610 2.991 Cp8Cv38 Mod4 1.565 2.846 9.6. Obra de Desv́ıo Escogida Finalmente, y considerando los datos de la Tabla 26, se adopta la modificación n◦4 como obra de desv́ıo aluvional. Esta obra mostró una eficiencia del 88 % en el desv́ıo del flujo aluvional, y como se verá en la sección 11, un buen funcionamiento del sistema completo. La Figura 69, muestra una imagen digitalizada con sus dimensiones principales en prototipo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 97 14.36 m 33.09 m 7.1 m 80.22 m 10 m 2.25 m 7.75m 7.75m 1.5 m 1.3 m Figura 69: Obra de desv́ıo aluvional final con sus dimensiones en prototipo. M O D E L O H ID R Á U L IC O A E S C A L A R E D U C ID A P A R A E L D IS E Ñ O Y V E R IF IC A C IÓ N D E L S IS T E M A D E O B R A S A L U V IO N A L E S E N L A Q U E B R A D A D E M A C U L , R E G IÓ N M E T R O P O L IT A N A In f o r m e F in a l r e v B 9 8 10. Estudio de Presa de Abertura Vertical en Hondonada La hondonada por si sola no retiene sedimentos a menos que cuenta con una presa que permita embalsar material hacia aguas arriba. En el proyecto original previo a la presente consultoŕıa, se propońıa una presa de apertura vertical (”slit dam”) formado por un arreglo de 3 lineas paralelas de pilares separadas cada 5 m entre ellas (prototipo). Los pilares estaban intercaldos y separados 5 m del otro en prototipo. Esta presa de apertura vertical se muetsra en la Figura 70. Figura 70: Sistema de Pilares (encerrados en amarillo) diseñados por Prisma en la Hondonada en el proyecto original. Según Montserrat(2005) y sus referencias, para presas tipo “slit dams” o de apertura vertical, si el tamaño de la apertura es menor a 1.5 veces el diámetro máximo de los sedimentos, todo el sedimento es atrapado por la estructura y no será removido por flujos posteriores al flujo detŕıtico. En cambio, si la apertura es mayor a 2 veces el diámetro máximo de los sedimentos, la mayoŕıa de los granos son atrapados en un principio, pero son removidos de la presa por el flujo de agua posterior al flujo aluvional. Dado lo anterior, se propne a la IF tomar estos antecedentes y reducir el espaciamiento de los pilares en la Hondonada a 1.5 veces el diámetro de las part́ıculas de 1 m, esto porque al igual que en la obra de desv́ıo, estas part́ıculas son consideradas altamente destructivas y es necesario retenerlas. Como complemtento a lo anterior, se realiza un modelo f́ısico de la hondonada para evaluar el comporta- miento de una “slit dam” con el espaciamiento indicado, considerando la curva granulométrica del material desviado hacia la hondonada en los ensayos experimentales en el modelo f́ısico 1:50. La Figura 71 muestra las curvas granulométricas del material desviado hacia la hondonada en todos los ensayos realizados. De estas curvas se escogieron 2, la más fina y la más gruesa que fueron ensayadas en el modelo f́ısico (vert Tabla 28). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 99 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00 % q u e p as a ds [mm] Cp7Cv38 Cp8Cv38 Cp8Cv45 Cp10Cv38 Cp10Cv45 Cp7Cv45 Cp10Cv50 Cp7Cv50 Cp8Cv45 Cp8Cv45 Cp8Cv45 Cp8Cv50 Figura 71: Curvas granulometrias en prototipo del material desviado hacia la hondonada de 12 ensayos realizados en el modelo escala 1:50. Tabla 28: Curva granulométrica más gruesa y más fina rn prototipo del material desviado hacia la Hondonada de todos los ensayos realizados en el modelo f́ısico escala 1:50. Tamiz [mm] % que pasa Gruesa Fina 3200 100.00 100.00 2500 97.02 98.41 2000 94.33 96.33 1000 75.45 82.25 475 58.08 76.54 200 43.85 51.94 118 35.51 41.12 59 13.42 13.63 30 3.82 3.94 15 0.64 0.23 1.55 0.00 0.00 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 100 10.1. Modelo F́ısico ”Slit Dam”Hondonada EL modelo f́ısico, se realiza sobre la instalación experimental de la maqueta. Su único f́ın, no es reproducir el comportamiento del flujo sobre la hondonada, sino, verificar que con la curva granu- lométrica del material desviado hacia la hondonada, la presa de apertura vertical se bloquee con los sedimentos. El modelo f́ısico construido, es una extensión del canal de generación con una pendiente del 4 % (pendiente de la Hondonada), sobre el cual se construye la presa de apertura vertical (ver Figura 72) la cual tiene una separación de 1.5 veces las part́ıculas de diámetro 1 m a una escala de 1:50. Es decir, en modelo la sepración entre pilares es de 3 cm. Es importante mencionar, que la presa modelada es solo un tramo de la presa en prototipo, pues se considera que su comportamiento será igual en toda su extensión. Para este modelo f́ısico, se reutilizó las instalaciones de la maqueta, por lo que el volumen descargado fue de 0.2 m3. No se midió la velocidad, pues la única finalidad del modelo era verificar si la obra tipo Slit Dam se bloqueaba o no considerando la curva granulométrica de los sedimentos desviados hacia la Hondonada. Figura 72: Modelo f́ısico escala 1:50 presa de apertura vertical o “Slit Dam” en la Hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 101 10.2. Resultados Obtenidos La Tabla 29 muestra la eficiencia de la presa de apertura vertical para los dos ensayos realizados considerando un volumen descargado de 0.2 m3, a una concentración volumétrica del 45 %, fluido intersticial agua bentonita a una concentración Cp del 38 % y las curvas granulométricas de la tabla 28. En ella se puede ver que la eficiencia esta entorno al 80 % de retención. Tabla 29: Eficiencia en retención de sedimentos de la persa de apertura vertical en la Hondonada. Ensayos Hondonada Masa Retenida [Kg] Masa Pasante [Kg] % Retenido Curva fina 128.85 44.85 74 % Curva Gruesa 150.85 34.2 82 % Las Figuras 73 y 74 muestran el estado final de ambos ensayos realizados. Más imágenes y videos del ensayo pueden ser visualizados en el anexo digital. Figura 73: Estado final del ensayo para curva granulométrica más fina. Figura 74: Estado final del ensayo para curva granulométrica más gruesa. Después de ver los resultados preliminares de la presa de apertura vertical y considerando que el MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 102 objetivo final de la hondonada es retener el material desviado, es muy dif́ıcil garantizar que se produzca un bloqueo a lo largo (∼ 120 metros) de la presa vertical. Es por ello que se llego a la conclusión que la obra que necesita la hondonada es un presa tipo ”Check Dam”. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 103 11. Evaluación del Funcionamiento del Sistema Completo (Obra de Desv́ıo, Decantadores y Hondonada) con Fluido Equivalen- te en Modelo F́ısico a Escala 1:50 En los ensayos anteriores, donde se ensaya un pulso aluvional, el flujo no logra avanzar hasta el final de la Hondonada ni tampoco hacia los decantadores 3, 4 y 5. Con el fin de poder evaluar el sistema de obras por completo incluyendo la obra de desv́ıo, se modifica la metodoloǵıa para generar del aluvión. Esta nueva metodoloǵıa propone recircular una fluido no-newtoniano sin considerar la parte sólida. Para reemplazar de alguna forma los esfuerzos generados por la fase sólida (esfuerzos producto del roce y colisiones de las part́ıculas), se realiza una mezcla de agua y bentonita, obteniendo un fluido tipo Bingham, donde el esfuerzo de fluencia y la viscosidad modelan los esfuerzos de la fase sólida. La mezcla agua-bentonita será a una concentración al 8 % p/p la cual, según los antecedentes de la Quebrada de Macul U = 8.3 m/s y H = 3 m en prototipo y luego de escalar a modelo 1:50 , entrega una viscosidad aparente de µa ∼ 96 cp. Esta viscosidad está dentro del rango t́ıpico de aluviones según Iverson (1997) (ver Tabla 14). En la Figura 75 se muestra un esquema de la instalación experimental. En azul se destaca la tubeŕıa que recircula el fluido donde se señala la bomba(B), flujómetro (F) y válvula (X), en rojo la obra de desv́ıo y en verde la obra que simula la presa de apertura vertical bloqueada al 100 % en la Hondonada. A un costado de la bomba se instala un estanque de 5.4 m3 para realizar la mezcla. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 104 Figura 75: Esquema instalación experimental, sistema de recirculación. Las flechas indican el sentido del flujo. Los caudales en prototipo elegidos en consenso con la Inspección Fiscal, fueron 80 m3/s corres- pondiente al Aluvión de Mayo de 1993 (ver sección 2.1.1), 121 m3/s, asociado a 100 años periodo de retorno (ver Tabla 8), y 382 que corresponde al caudal ĺıquido máximo probable de 237 m3/s (ver Tabla 7) incorporando un 38 % en volumen de sólidos. Cabe mencionar que el caudal máximo, también es cercano al caudal simulado por el estudio de GeoTest 2018. 11.1. Puesta en Marcha Para ver el funcionamiento de la nueva metodoloǵıa, caudal máximo a recircular y el comporta- miento del sistema completo de obras aluvionales, se realiza una puesta en marcha con una mezcla de agua y bentonita. En la Figura 76 se aprecia el sistema funcionando a un caudal aproximado en prototipo de 80 m3/s. Se puede ver como la obra de desv́ıo no logra desviar el 80 % cuando se tiene un flujo aluvional sin part́ıculas gruesas debido a que este pasa fácilmente a través del sistema de pilares. Un aluvión se puede presentar en pulsos de distitntas caracteŕısiticas, tales como un primer pulso con un alto contenido sólidos gruesos, seguido por otros pulsos con mayor o menor cantidad de gruesos o simplemente un flujo exclusivo de material fino, y aśı todas las combinaciones posibles. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 105 Sabiendo esto, se puede dar el caso que el pulso inicial no bloquee la obra debido a su escasez de sólidos mayores a 1 metro de diámetro. En la Figura 77 se observa el problema detectado en la puesta en marcha. Figura 76: Puesta en Marcha. Vista desde arriba. (a) (b) Figura 77: Puesta en Marcha. Acercamiento obra de desv́ıo, en rojo zona por donde pasa el flujo. Producto de lo descrito se opta por tapar (durante la puesta en marcha) parte de la obra de desvió, para observar el funcionamiento de todo el sistema, como lo muestra la Figura 78. Por otra parte se observó los lugares cŕıticos donde se producen desbordes para caudales detŕıticos mayores al periodo de retorno de 100 años y se ven velocidades altas en las zonas de la obra y hondonada. En la Figura 79 se observan los lugares descritos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 106 Figura 78: Puesta en Marcha. Vista desde arriba. (a) (b) (c) (d) Figura 79: Zonas cŕıticas observados en la puesta en marcha. (a) Velocidades altas en la zona de la obra de desv́ıo y salida del vertedero a la Hondonada. (b) Confluencia en el Decantador 5 de los flujos que vienen desde la Hondonada y Decantador 4. (c) Desborde en el Decantador 2. (d) Desborde en la ribera Sur en la obra de retención, ubicada en la Hondonada. Para solucionar el problema planteado en la Figura 77, se opta por modificar la obra de desv́ıo y agregar un muro a lo largo de toda la obra de 2.25 metros de alto en prototipo (∼ 2 ·84) sobre el cual van hincados los pilares, salvo en la mitad de la obra donde se dejan dos pilares (3 espaciamientos) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 107 hincados directamente al suelo (sin muro) para el paso de los caudales bajos. Más detalle de la obra se aprecia en la sección 9, Modificación 4. Los problemas señalados en la Figura 79 son propios del diseño, y se abordaran en las secciones 11.2 y 11.3. En la sección 10 se probó el mejoramiento de los pilares verticales en la Hondonada propuestos por Prisma. Para simular el bloqueo completo del sistema de pilares se implementó en el modelo f́ısico 1:50, una obra impermeable estilo “Check Dam”. En la puesta en marcha se observó el correcto funcionamiento de la obra, decidiendo en conjunto con la Inspección Fiscal, eliminar los pilares e implementar una “Check Dam” similar a los construidos en los decantadores en caso de que ocurriese un flujo aluvional con poco contenido de material grueso. En la Figura 80 se muestra un bosquejo de la obra. Esta obra se propone como mejoramiento al sistema completo y se estudiará su funcionamiento a diferentes caudales, pero no está dentro de los alcances y objetivos del estudio diseñar la obra. Figura 80: Bosquejo de la Check Dam propuesta a diseñar en la Hondonada. Se instalan cámaras, sensores ultrasónicos, reglas y limńımetros para documentar las alturas y velocidades en los lugares cŕıticos señalados en la Figura 79. En la Figura 81 se muestra un esquema de la disposición de la instrumentación. Además para evitar el desborde observado en la Figura 79d se baja la altura de coronamiento de la barrera en la Hondonada para dejar una revancha de 1.5 metros en prototipo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 108 L1 Lh R3R2 Rh R4 Sc Ss V1 Vh Vs Figura 81: Esquema instrumentación. Los cuadrados rojos representan las cámaras, los triángulos negros los limńımetros, los ćırculos azules las reglas y las estrellas verdes los sensores ultrasónicos. En la Figura 82 se muestra la posiciones de las imágenes mostradas en las Figuras 83, 84, 85, 86, 87 y 88. Figura 82: Vista General de los ensayos, en rojo las ubicaciones de las imágenes mostradas en las Figuras 83, 84, 85, 86, 87 y 88. 11.2. Ensayos Crecidas Ĺıquidas (sólo agua) A continuación se muestran los ensayos para una crecida ĺıquida de agua, para los caudales del aluvión de Mayo del 93 (80 m3/s), de 100 años periodo de retorno (121 m3/s) y el caudal máximo (382 m3/s). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 109 (a) (b) (c) (d) Figura 83: Ensayo con agua correspondiente al caudal del aluvión de Mayo del 1993. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 110 (a) (b) (c) (d) Figura 84: Ensayo con agua correspondiente al caudal de 100 años de periodo de retorno. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 111 (a) (b) (c) (d) Figura 85: Ensayo con agua correspondiente al caudal máximo probable. (a) Vista General, . (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. 11.3. Ensayos Crecidas Detŕıticas (Fluido Equivalente Agua-Bentonita) A continuación se muestran los ensayos para una crecida detŕıtica aluvional de una mezcla de bentonita al 8 % p/p, para los caudales del aluvión de Mayo del 93 (80 m3/s), de 100 años periodo de retorno (121 m3/s) y el caudal máximo (382 m3/s). La viscosidad aparente del fluido analizado, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 112 (a) (b) (c) (d) Figura 86: Ensayo con bentonita correspondiente al caudal del aluvión de Mayo del 1993. (a) Vista General. (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 113 (a) (b) (c) (d) Figura 87: Ensayo con bentonita correspondiente al caudal de 100 años de periodo de retorno. (a) Vista General, (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 114 (a) (b) (c) (d) Figura 88: Ensayo con bentonita correspondiente al caudal máximo probable. (a) Vista General, . (b) Vista de la Obra desde arriba. (c) Vista de la llegada del flujo a la Hondonada desde arriba. (d) Vista de la llegada de los flujos al Decantador 5. 11.4. Resultados Las Figuras 89 y 90, muestran una comparación en los sectores más cŕıticos del sistema de control aluvional en la Quebrada de Macul. Estos son, en la presa del Decantador n◦2, presa de la Hondo- nada y presa del decantador n◦5 donde confluye el flujo proveniente por los Decantadores y por la Hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 115 Q Macul Q100 Qmax Figura 89: Comparación en zonas cŕıticas del sistema de obras de control aluvional para el ensayo realizado con agua y los caudales Qmacul, Q100 y Qmax. En sentido descendente, las imagenes muestran la presa del Decantador 1, 5 y Hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 116 Q100 QmaxQ Macul Figura 90: Comparación en zonas cŕıticas del sistema de obras de control aluvional para el ensayo realizado con Bentonita y los caudales Qmacul, Q100 y Qmax. En sentido descendente, las imagenes muestran la presa del Decantador 2, 5 y Hondonada. Estas figuras muestran que tanto para el ensayo realizado con agua y aquel con Bentonita, con cau- dal Qmacul el sistema funciona sin problemas. Para Q100, el sistema funciona al ĺımite, es decir, no hay desbordes pero la superficie libre del escurrimiento está al ras con el coronamiento de la presa del Decantador n◦2, n◦3, n◦5 y presa de la Hondonada. En cambio para Qmax, hay desbordes en los Decantadores n◦2, n◦3, n◦5, mientras que en la Hondonada, la presa está funcionando como verte- dero en toda su extensión (no sólo en la parte central) y al ĺımite con el coronamiento de la ribera sur. Lo anterior, se resume en la siguiente tabla: Tabla 30: Desbordes en el sistema para el caudal del aluvión del 93 en la quebrada de macul (Q macul), caudal de 100 años de periodo de retorno (Q100) y el caudal asociado a la crecida máxima probable (Qmax). Desbordes con Bentonita Posición D2 D3 D4 D5 H Qm No No No No No Q100 Ĺımite No No No Ĺımite Qmax Si Si No Si No (max) Las velocidades (Tablas 31 y 32 ) se obtuvieron con la metodoloǵıa de PIV para los ensayos con bentonita, igual que los ensayos de la sección 8. En el caso de los ensayos con agua, la transparencia MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 117 del agua no permite la detección de patrones del flujo obteniendose resultados erroneos con la técnica de PIV. Por tal motivo, para los ensayos con agua la velocidad se estimo siguiendo visualmente las part́ıculas usadas como trazadores (cáscaras de nueces) durante el análisis digital de las imágenes. Las velocidades calculadas, para el caudal de 100 años de periodo de retorno, se parecen tanto para el caso solo agua y solo bentonita a las predichas por GEOTEST 2018 (11 m/s en prototipo). Para el caso de las alturas medidas con regla y limńımetro , estas se obtuvieron puntualmente una vez estabilizado el caudal. Las alturas medidas por los sensores se muestra el promedio de una serie de tiempo. Las alturas se muestran en el plano XXXX, donde se aprecia el volumen de retención del sistema completo. Tabla 31: Exp. Agua: Velocidades promedio en el tiempo en prototipo (m/s). La ubicación de los puntos de medición se pueden ver en la Figura 81 Posición Q macul Q 100 Q max Entrada V1 9.58 9.58 - Entrada H Vh 6.11 8.11 - Entrada D5 Vs 3.51 4.55 - Tabla 32: Exp. Bentonita: Velocidades promedio en el tiempo en prototipo (m/s). La ubicación de los puntos de medición se pueden ver en la Figura 81 Posición Q macul Q 100 Q max V1 8.35 10.96 28.21 Vh 2.14 3.53 13.69 Vs 2.23 3.25 4.36 Tabla 33: Exp. Agua: Alturas en prototipo (m), para ver la ubicación de los puntos ver la Figura 81 Posición L1 R2 R3 R4 Rh Lh Ss Sc Qm 0.35 6.00 4.70 3.95 8.95 0.275 7.99 7.60 Q100 0.45 6.35 4.80 4.05 9.55 0.40 8.30 7.82 Qmax 0.78 7.25 6.15 5.45 9.90 0.35 9.15 7.64 Tabla 34: Exp. Bentonita: Alturas en prototipo (m), para ver la ubicación de los puntos ver la Figura 81 Posición L1 R2 R3 R4 Rh Lh Ss Sc Qm 0.50 6.30 5.15 4.4 9.20 0.45 7.54 7.67 Q100 0.53 6.55 5.35 4.55 9.75 0.55 8.01 8.04 Qmax 0.55 7.15 5.95 5.00 10.5 0.70 8.04 7.18 Seleccionando las alturas máximas para cada decantador y hondonada independiente de si el ensayo fuera de crecida ĺıquida o mezcla con bentonita, se obtienen los volúmenes útiles de operación de todo el sistema para cada caudal ensayado. En la Tabla 35 se muestran las valores de los volúmenes en m3, cabe recordar que para el caso de Q100 y Qmax la hondonada y los decantadores están vertiendo por los respectivos vertederos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 118 Por otro lado, DPWH de Japón (2010), establece que la pendiente superficial del material retenido en un decantador es 1/2 de la pendiente del terreno. Teniendo esto en consideración, el volúmen útil de los decantadores estudiados y Hondonada medido desde la base del vertedero se muestran en la Tabla 36. Tabla 35: Volúmenes útiles en m3 según las alturas medidas Caudales Decantador 2 Decantador 3 Decantador 4 Hondonada Total Qm 15704 15600 14316 159266 204886 Q100 17060 16530 15124 178836 227550 Qmax 21195 20422 20441 207349 269407 Tabla 36: Volúmenes en m3, según indicaciones de DPWH de Japon (2010). i = 0 % i = 1/2iterreno Hondonada 93241.8 188544.01 D2 9122 18777 D3 5223 8485 D4 6276 11182 D5 8996 19554 Total 122860 246544 Si bien el volumen total para Qmax mostrado en la Tabla 35 es mayor que los volúmenes de la Tabla 36, esto se debe a que los vertederos de los decantadores y hondonada están funcionando aumen- tando el volumen contenido durante la crecida o aluvión, pero cuando el caudal cese, el volumen total depositado será el señalado en la Tabla 36. Por lo mismo se considera que el sistema completo es capaz de retrasar un volumen total aproximado de ≈ 146.000 y 22.000 m3 para un pendiente superficial del material de 0 % y 1/2iterreno respectivamente. Dado los resultados de desbordes mostrados en la Tabla 30, se observa que para un caudal de 100 años el sistema esta al limite en dos zonas, decantador 2 y hondonada. Por lo mismo se recomienda elevar la revancha 1 metro en ambas riberas del decantador 2. Además se observa un leve desborde para el caudal máximo en la ribera sur de la Hondonada, también se recomienda elevar la revancha en el sector de la ribera sur de la ”Check Dam”que se construya en al hondonada. Finalmente en el decantador 5 existe un alto nivel de turbulencia en la zona de la confluencia de los flujos que vienen del decantador 4 y hondonada, por lo mismo se recomienda elevar 1 metro la revancha en al ribera sur. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 119 12. Análisis de Velocidades A lo largo del presente estudio, se han reportado velocidades máximas y medias para los ensayos con flujo detŕıtico. Estas velocidades registradas son superiores a ∼ 1 m/s, que corresponde a la velocidad de 8.3 m/s a escala 1:50 estimada en la Quebrada de Macul para el frente de mayor magnitud. Las velocidades máximas calculadas con la técnica de PIV en los ensayos de pulso aluvional estan en general alrededor de 4.5 m/s en modelo, lo que en prototipo corresponden a velocidades alrededor de los 30 m/s. Claramente la velocidad en modelo está sobrestimada a pesar de los intentos por reducir su velocidad incrustando piedras en el fondo del canal de generación. Otra opción era modificar la pendiente del canal de generación, pero tras lo experimentado en ”modelo 0”, esta configuración experimental (incluyendo la pendiente del canal) permitió obtener un flujo aluvional completamente desarrollado. Si bien la sobre estimación de la velocidad puede parecer un problema, la obra de desv́ıo diseñada cumple con el objetivo de desviar ∼80 % del flujo hacia la hondonada y se hicieron las modificaciones necesarias para que incluso a estas velocidades, disminuyeran los desbordes observados en modelo. Además, dada esta sobre estimación de la velocidad, se realizó un análisis del peralte en la curva de la obra de desv́ıo. 12.1. Peralte en Curva Obra de Desv́ıo La velocidades máximas en modelo del frente aluvional obtenida en el ensayo de la solución final (modificación 4) es de 5.26 m/s respectivamente. Siguiendo la lógica, la altura que alcanza el flujo en la curva de la obra de desv́ıo también estaŕıa sobrestimada. Según Takahashi (2014), las formulaciones de Knapp (1951, ecuación 26) y Lenau (1979, ecuación 27) permiten estimar la altura del flujo aluvional en curvas. Estas formulacioens se describen a continuación: hg = U2 g sin2(β1 + θc 2 ) (26) donde U es la velocidad de aproximación del frente; β1 es el angulo de la cresta de la onda originada por la curva y θc es el angulo correspondiente a posición en la curva (x=0, θ1=0o). Se define sin(β1) = 1/Fr1 donde Fr1 corresponde al Froude a la entrada de la curva. h = hno + E (27) E = Uh2 no 2 √ ghnorco ∞∑ k=0 [δ{x′ − √ F 2 1 − 1(kB′ + 1 2 − y′)} − δ{x′ − √ F 2 1 − 1(kB′ + 1 2 + y′)}] (28) donde hno corresponde a la altura normal a la entrada de la curva; x′ = rccθc/hno; y ′ = (rcc − rro)/hno; B ′ = B/hno y δ(x′) es una función que cuando x′ < 0, δ(x′) = 0 y cuando x′ > 0, δ(x′) = x′. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 120 Para obtener la altura del flujo en la curva desde el modelo f́ısico, se implementa un código en python para analizar imágenes. Este procesamiento de imágenes entrega la altura en la curva para todos los tiempos. En la Figura 91 se puede apreciar una imagen con el resultado del código. − 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 − 20 0 20 40 60 80 100 120 140 Pixeles P ix e le s Figura 91: Código en python donde se detecta la altura en la curva. En la Figura 92 se compran los resultados obtenidos en la modelación f́ısica y las ecuaciones 26 y 27 para el caso del ensayo correspondiente a la modificación 4. Cabe destacar que para la formulación de Knapp y Leanu se usaron la velocidad máxima del frente. Para la modelación f́ısica se obtuvieron las alturas en dos instantes de tiempo que corresponde a las máximas alturas detectadas (t=3.5 y t=3.64 segundos). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 121 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 A lt u ra [ m ] Longitud Curva [m] Knapp (Vmax) Lenau T = 3.64 s T = 3.5 s Figura 92: Comparación altura Modelo F́ısico y ecuaciones 26 y 27. En la Figura se observa que la altura máxima alcanzada por el flujo, es bien representada por la ecuación de Knapp (1951) hasta justo antes que empiece la zona de pilares (0.9 m aprox en modelo). A partir de ah́ı, la altura del flujo en los ensayos se mantiene más bien a una altura “constante”, y se asemeja a la altura estimada por la ecuación de Lenau (1979) al final de la obra de desv́ıo. Ahora bien, si se considera como velocidad máxima en prototipo del frente 11 m/s obtenida en la simulación numérica de GeoTest (2018), se obtine una altura del flujo en la curva justo antes que empiecen los pilares de 5 metros según la fórmula de Knapp (1951). Y al final de la obra, según la fórmula de Lenau, la altura seŕıa de 6 m. Teniendo en cuenta esta aproximación, asegura que la obra diseñada está por el lado de la seguridad. 12.2. Zona Apertura Vertedero Observando las velocidades correspondientes a los ensayos de pulso aluvional y de crecidas de de- tritos, se puede elegir el tamaño optimo de la apertura del vertedero. En las Figuras 93 y 94 se observa la distancia, para la cual es flujo comienza a desviarse hacia la hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 122 Figura 93: Ancho en modelo del vertedero según ensayo de pulso descrito en la sección 9.3. Figura 94: Ancho en modelo del vertedero según ensayo de crecida de barro descrito en la sección 11.3. Las distancia elegida en prototipo en base a los ensayos mostrados en la Figuras 93 y 94 es de 132 metros de largo. Mayor detalle ver el Planos 4373-1/14 y 4373-2/14 . MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 123 13. Dimensionamiento de Obras Las dimensiones finales (ancho, longitud, pendientes, largo pilares, etc) de la obra de desv́ıo, verte- dero y hondonada, se encuentran en los planos 4373-1/14, 4373-2/14, 4373-3/14. La parámetros de diseño para la zona de la Obra de Desv́ıo se muestran en la Tabla 37, para mayor detalle de la elección de dichos parámetros ver el Anexo J. Tabla 37: Parámetros de diseño. H altura del flujo, U velocidad del flujo, Qmax caudal máximo probable de detritos. Parámetros de Diseño Enrocados zona obra H (m) 4.5 U (m/s) 10 Qmax (m3/s) 382 Las velocidades y caudales de diseño para los enrocados tanto para el fondo como para los taludes en la zona del vertedero y hondonada corresponden a las velocidades máximas para el caso del caudal de Q100 años, de las Tablas 31 y 32. Además se consideraron dos caudales unitarios q = 10.19 m2/s y q = 2.44 m2/s, los detalles en el Anexo J. Las propiedades para todos los enrocados calculados son las siguientes: Tabla 38: Propiedades del Enrocado.*El Ángulo de reposo modificado se explicara en la sección 13.1.1 y en el Anexo J. Parámetro Unidad Valor Densidad (ρe) kg/m3 2650 Ángulo de Reposo (φ) o 42 Ángulo de Reposo modificado(φm)* o 70 Porosidad (np) - 0.45 Coeficiente de Uniformidad (Cu) - 1.95 Considerando un el angulo de reposo φ (Tabla 38) los diámetro ds de los enrocados de talud tanto de la zona de la obra como de la hondonada, alcanzan va lores de 4.73 metros. Teniendo en cuenta que obtener estos enrocados no son factibles, se modifico el angulo de reposo de 42o a 70o (φm). El valor se obtiene considerando colocación manual del enrocado (se deben considerar enrocados de aristas vivas, favoreciendo la trabazón entre enrocados) sumado además el consolidado de hormigón. Con estas simplificación y usando la formula de California Division of Highways los valores promedio son de 1.58 m de diámetro, equivalente a rocas de 5355 kg. Nuevamente se tienen enrocados que no son factibles de obtener, por lo mismo se opta por realizar el consolidad de hormigón a toda la primera capa de enrocado (1D de penetración del hormigón) y que el hormigón resista solicitudes de un impacto de roca del aluvión (ver Sección 13.4). Las tamaños y pesos de los enrocados deben seguir con la clasificación mostrados en las tablas 39 y 40. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 124 Tabla 39: Mı́nimos y máximos tamaños de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) Clasificación Tamaño (m) d15 d50 d85 d100 Min Max Min Max Min Max Max I 0.15 0.094 0.132 0.145 0.175 0.198 0.234 0.305 II 0.25 0.140 0.198 0.216 0.267 0.292 0.356 0.457 III 0.3 0.185 0.267 0.292 0.356 0.394 0.470 0.610 IV 0.4 0.234 0.330 0.368 0.445 0.495 0.584 0.762 V 0.5 0.279 0.394 0.432 0.521 0.597 0.699 0.914 VI 0.55 0.330 0.470 0.508 0.610 0.699 0.826 1.067 VII 0.65 0.368 0.533 0.584 0.699 0.787 0.940 1.219 VIII 0.8 0.470 0.660 0.724 0.876 0.991 1.168 1.524 IX 1 0.559 0.800 0.864 1.054 1.194 1.410 1.829 X 1.1 0.648 0.927 1.016 1.232 1.384 1.638 2.134 Tabla 40: Mı́nimos y máximos pesos de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) Clasificación Peso (Kg) W15 W50 W85 W100 Min Max Min Max Min Max Max I 9 kg 2 5 7 12 18 29 64 II 32 kg 6 18 23 43 56 101 215 III 80 kg 14 43 56 101 137 234 510 IV 150 kg 29 81 113 198 274 449 997 V 1/4 ton 49 137 181 318 479 768 1722 VI 3/8 ton 81 234 295 510 768 1267 2735 VII 1/2 ton 113 342 449 768 1100 1870 4082 VIII 1 ton 234 649 854 1516 2190 3593 7973 IX 2 ton 393 1154 1451 2638 2832 6310 13777 X 3 ton 612 1795 2362 4211 5975 9905 21878 13.1. Obra de Desv́ıo La obra de desv́ıo diseñada y ensayada en laboratorio, tiene una configuración especial y fuera de lo común en lo que a obras de control aluvional se refiere. Esta considera una obra curva formada por una combinación de muros y pilares la cual dividiremos en 3 partes: El primer tramo es un muro impermeable de 10 m de altura. El segundo tramo, es una combinación de un muro vertical de 2.25 m de altura sobre el cual sobresalen pilares de 8 m de altura. La zona central está formada por pilares hincados directamente en la fundación (No existe el muro de 2.25 m de altura). El último tramo, es identico al segundo, hasta su inserción con el vertedero en dirección a la hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 125 La apertura y cantidad de pilares fue determinada mediante los ensayos descritos en las secciones 7, 9 y 11. La alternativa seleccionada se encuentra descrita en la Figura 69. En el Anexo J se detallan las socavaciones en torno a la estructura (socavación local en los pilares centrales, por curvatura a lo largo de la curva y socavación general). Producto de la gran socavación calculada (≈ 17 metros), y considerando también su gran incertidumbre debido a que todas estas formulaciones fueran realizadas para agua clara y lechos de arena, se analiza la opción de revestir el fondo, aguas arriba y aguas abajo del muro. 13.1.1. Revestimiento y Enrocados En el Anexo J se encuentra el detalle de los cálculos y formulaciones ocupadas. En la Tabla 41 se muestran el diámetro de los enrocados del fondo y talud. El detalle de la zona revestida y sus transiciones en los Planos 4373-3/14, 11/14, 12/14 y 13/14. Tabla 41: ds y Peso enrocados fondo zona obra. Zona Clasificación Peso [Kg] ds aprox [m] Talud Sur IX 2356 1.2 Talud Norte IX 2356 1.2 Fondo VIII 1880 1.11 En la Tabla 42 se muestra la socavación al pie y termino del enrocado de fondo mas la socavación general. El detalle de la zona y forma de las fundaciones en los Planos 4373-11/14, 12/14 y 13/14. Tabla 42: ds Socavación enrocado fondo, zona obra. Socavación Valor [m] General 2.3 Umbral 3.44 Total x FS=1.3 7.46 13.2. Zona Vertedero En el Anexo J se encuentra el detalle de los cálculos y formulaciones ocupadas. A continuación se muestran el diámetro de los enrocados del fondo.El detalle de la zona revestida y sus transiciones en los Planos 4373-4/14, 5/14, 6/14 y 7/14. Tabla 43: ds y Peso enrocados fondo zona vertedero. Zona Clasificación Peso [Kg] ds aprox [m] Fondo VIII 1897.64 1.11 En la Tabla 44 se muestra la socavación solo al termino del enrocado de fondo del vertedero. El detalle de la zona y forma de las fundaciones en los Planos 4373-4/14, 5/14, 6/14 y 7/14. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 126 Tabla 44: ds Socavación enrocado fondo, zona vertedero. Socavación Valor [m] Umbral 3.7 Total x FS=1.3 4.81 13.3. Zona Hondonada En el Anexo J se encuentra el detalle de los cálculos y formulaciones ocupadas. A continuación se muestran el diámetro de los enrocados del talud sur de la hondonada. El detalle de la zona revestida y sus transiciones en los Planos 4373-8/14, 9/14 y 10/14. Tabla 45: ds Enrocados fondo zona Hondonada. Zona Clasificación [m] Peso [Kg] [m] ds [m] Talud Sur IX 2356 1.2 13.4. Fuerza de Impacto sobre Obra de Desv́ıo A continuación se verá un resumen del calculo para la fuerza de impacto sobre la estructura. El detalle de la revisión bibliográfica, coeficientes, consideraciones, formulaciones y metodos usados se ve en el Anexo J. Teniendo en cuenta que la mayoŕıa de los estudios encontrados en la literatura indican que los mejores resultados se obtienen con el modelo hidrodinámico, la Tabla 46, muestra el esfuerzo de impacto en función del coeficiente Cd considerando un flujo a 10 m/s con una densidad de la mezcla de 1900 kg/m3 equivalente a un flujo aluvional con una concentración volumétrica del 60 %. Tabla 46: Esfuerzo de impacto sobre estructura según modelo hidrodinámico en función de el coeficiente Cd. Cu 0.5 1 2 3 5 7 11 18 τ (MPa) 0.095 0.19 0.38 0.57 0.95 1.33 2.09 3.42 Teniendo en cuenta lo anterior y considerando por ejemplo que en Suiza y Hong Kong recomiendan para el diseño un valor entre 2 y 3 para el coeficiente Cd, que según el análisis f́ısico el esfuerzo podŕıa tender a 1 MPa, y que según la Tabla J-6 1 MPa correspondeŕıa a un coeficiente Cd ∼ 5.5, se recomienda diseñar para 1MPa pero, que la estructura resista sin colapsar esfuerzos de 3MPa dado que estudios muestran que estos pueden ser alcanzados en algunos casos puntuales (Cd ∼ 18). El modelo hidrodinámico considera la densidad de la mezcla, por lo que tiene sentido distribuir la carga en el área formada por el ancho del pilar y una altura de 2 m similar a un D90 o 2·D84. Como la obra podŕıa eventualmente ir acumulando sedimentos y venir un siguiente pulso aluvional y aśı sucesivamente, este esfuerzo debe ser soportado en cualquier punto del pilar, en su base, en el centro, en su extremo superior, etc. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 127 14. Conclusiones En primer lugar, se logra el objetivo de desviar cerca del ∼80 % del flujo aluvional hacia la hondo- nada y que el ∼20 % restante fluya a través de los decantadores. Se ensayaron distintas alternativas de obras de desv́ıo, siendo la obra de desv́ıo tipo presa de aper- tura vertical con curvatura, la que entregó los mejores resultados. Una de las conclusiones más importante sobre este tipo de obras, es que cuando son construidas para desviar un flujo detŕıtico, estas pierden su capacidad de retención para la cual fueron diseñadas. Si bien las part́ıculas se traban en las aperturas de la obra, el mismo flujo desviado las remueve. Esto tiene un beneficio, ya que la obra no se acolmata y sigue operativa para la mayoŕıa de los casos estudiados. Esto ultimo fue también verificado con los ensayos de doble pulso realizados. Existe una gran escasez a nivel nacional en la toma de datos sobre eventos aluvionales pasados, lo que hace dif́ıcil la correcta modelación de estos. En particular, en la Quebrada de Macul, solo hab́ıan indicios de que la concentración del aluvión de 1993 era de un 38 % en volumen y que el volumen de sólidos arrastrados fue de 840.000 m3. Pero no se teńıan muestras de sedimentos para conocer, por ejemplo, la reoloǵıa del fluido intersticial, o las caracteŕısticas granulométricas del aluvión, etc. Dada la gran incertidumbre en estos antecedentes, se realizaron ensayos para distintas concen- traciones volumétricas de sólidos y reoloǵıas del fluido intersticial. Los ensayos realizados no son concluyentes para decir que la viscosidad del fluido afecta el funcionamiento de la obra, en cambio, śı la concentración volumétrica de sólidos. A mayor concentración volumétrica de sólidos, mayor es el porcentaje de material desviado hacia la hondonada. La estimación de socavación en la obra de desv́ıo debió ser realizada con fórmulas emṕıricas estu- diadas en flujos de agua clara y lechos de arena. Esto debido a que a conocimiento de los autores de este estudio, no se encontraron referencias en la literatura de fórmulas emṕıricas para estimar la socavación sobre estructuras ante flujos detŕıticos. Por dicho motivo, se consideró un factor de seguridad de 1.3 en la socavaciones totales en la zona de la obra y vertedero. En ambas obras se considera la socavación producto de la transición entre lecho fijo y móvil, además de la socavación general. Estas estimación dan como resultado 7.46 y 4.81, para la zona de la obra y final del verte- dero lateral respectivamente. Las dimensiones de los enrocados diseñados para la protección de las obras, fueron calculados con ecuaciones que consideran flujos de agua clara y no flujos detŕıticos. Debido a las altas velocidades presente en el modelo, el dimensionamiento de rocas, lleva a obtener valores en torno a los 4 metros de longitud y pesos de 85.000 toneladas por lo que es dif́ıcil de llevar a cabo en la construcción. Producto de estos valores, se modifico el angulo de reposo de 42o a 70o (φm). El valor se obtiene considerando colocación manual del enrocado (se deben considerar enrocados de aristas vivas, favoreciendo la trabazón entre enrocados) sumado además el consolidado de hormigón. Con estas simplificación y usando la formula de California Division of Highways los valores promedio son de 1.58 m de diámetro, equivalente a rocas de 5355 kg. Debido a estos valores se opta por elegir enrocados con cierta clasificación de diámetro y pesos (Tablas 39 y 40) En el caso del cálculo de la fuerza de impacto sobre la estructura, se realizó una basta revisión MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 128 bibliográfica demostrando la alta dispersión en el coeficiente Cu del modelo hidrodinámico. Consi- derando el análisis f́ısico realizado y el modelo hidrodinámico, se concluye que la estructura debeŕıa diseñarse para un esfuerzo de 1 MPa y soportar sin colapsar un esfuerzo de 3 MPa, para aśı y en base a lo encontrado en la literatura, estar por el lado de la seguridad. Fue positivo para el estudio la realización de el Modelo ”0”para diseñar el canal de generación del aluvión y dar cuenta de los efectos de escala que existen en la modelación f́ısica de los flujos de detritos. De la misma manera, fue positiva la realización de un modelo f́ısico a escala menor (1:80) denominado ”Maqueta Conceptual”que permitiera probar distintas alternativas de obras de desv́ıo. Esto redujo tiempo y costos económicos para el proyecto debido a su menor envergadura. La modelación f́ısica de flujos aluvionales, a diferencia de la mayoŕıa de los modelos numéricos, per- mite evaluar tanto la fase ĺıquida y sólida del fluido. Sin embargo, los efectos de escala en modelos f́ısicos a escala reducida son importantes y hay que estudiarlos para comprender las limitancias del modelo. Los efectos de escala más problemáticos son el de la imposibilidad de mantener al flujo detŕıtico fluidizado por largas distancias (como ocurre en la realidad) debido a la rápida difusión de la presión de poros en el modelo, o la incapacidad de representar adecuadamente la viscosidad del fluido intersticial y la curva granulométrica completa. Se recomienda en este tipo de proyectos la modelación h́ıbrida, es decir, f́ısica y numérica. De esta forma, con la modelación f́ısica se pue- den evaluar la interacción de los sólidos con las estructuras a diseñar, mientras que con el modelo numérico se pueden evaluar las zonas del terreno afectadas por el aluvión. Se recomienda evaluar la capacidad de retención de la hondonada. Tal como está diseñada hoy, la hondonada tiene una capacidad de retención nula, con la propuesta de una presa impermea- ble ensayada en laboratorio del INH manteniendo la pendiente actual, se logra una capacidad de retención de ∼ 188.544 m3 considerando una pendiente de la superficie del depósito igual a 1/2 de la pendiente de terreno. Incorporando la capacidad de retención de ∼70.000 m3 que tienen los decantadores, no es posible retener por ejemplo todo el volumen sólido del aluvión de 1993. Tan solo manteniendo la pendiente de la hondonada desde su inicio al 4 %, se puede lograr un volumen total en la Hondonada de ∼452.996 m3 (con 1/2iterreno). Sin embargo, se debe comprobar si esto es factible hidráulicamente, pues, el hecho de profundizar la Hondonada y extender sus taludes a la nueva cota de fondo, deja muy angosta la zona de empalme entre la hondonada y el decantador n◦5. En los ensayos donde se verificó el funcionamiento del sistema completo, se observó un buen funcio- namiento para el caudal asociado al aluvión de la Quebrada de Macul, mientras que para el caudal asociado al periodo de retorno 100 años, el sistema funcionó al ĺımite tanto decantadores como hon- donada. Sin embargo para el caudal máximo probable se observaron desbordes en los decantadores 2, 3 y 5, mientras que el decantador 4 funcionó a máxima capacidad y la hondonada si bien no hubo desbordes, la presa funciono como vertedero en todo su largo. Se recomienda elevar un muro a lo largo de los decantadores de 2 metros. Además, se observo en las Figuras 85d y 88d que la confluen- cia de flujos desde el decantador 4 y Hondonada produce un flujo preferencial por el costado sur del decantador 5 generando desbordes. Finalmente, se recomienda modelar numéricamente el sistema completo Hondonada y decantadores con la obra de desv́ıo diseñada y evaluar su funcionamiento aguas abajo del decantador n◦5 y el cauce en la zona urbana. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 129 La obra esta dimensionada para que soporte un evento extremo como el aluvión de 1993, después de suceder dicho aluvión se debe realizar una mantención en toda la obra, para que vuelva a las dimensiones obtenidas en este estudio. Modelos f́ısicos de aluviones son escasos a nivel nacional y mundial. Este es el primer modelo f́ısico a escala reducida realizado por el Ministerio de Obras Públicas (MOP), por lo que el conocimiento adquirido para esta institución es sumamente beneficioso. Además, hoy el Instituto Nacional de Hidráulica (INH) cuenta con el canal de generación de flujo aluvional más grande del páıs y que puede ser utilizado en más estudios de éste tipo. Se recomienda al MOP, continuar con este tipo de estudios en el páıs para diseñar obras de control aluvional más seguras para la población. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 130 ANEXOS MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB 1 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO A: Estudio Geológico Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 A. Estudio Geológico La geoloǵıa de la zona se muestra en la figura A-1. Esta ha sido extráıda de Mart́ınez (2009) y se presenta a continuación. Es importante mencionar que mayor detalle puede ser consultado en el estudio citado. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB A-2 Figura A-1: Mapa geológico Quebrada de Macul A.1. Unidades de Roca Formación abanico (Tsa): La formación Abanico aflora en toda la zona de estudio. Se encuentra compuesta por lavas, brechas volcánicas y tobas, con intercalaciones sedimentarias que incluyen MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB A-3 utitas y arsenicas de gran fino. En la zona norte central del área de estudio la formación Abanico es intrúıda por un filón inferido de composición basáltica que presenta una orientación general N-S. En general, la roca se presenta fracturada y meteorizada. Esta unidad presenta zonas con cubierta de suelos no mayores a 1 m de espesor. Cuerpos Intrusivos (Tf): Se asoma levemente en la parte norte de la zona de estudio un intrusivo inferido de composición basáltica que afecta a la formación Abanico. Este intrusivo es de orientación N-S, de grano fino y color negro, con pequeños crsitales de plagioclasa en su matriz. Hay además una serie de intrusivos de menor tamaño, que abarcan desde composiciones grańıticas a dioŕıticas, que afectan a la secuencia de la formación Abanico. Estos intrusivos menores en general se encuentran medianamente alterados y bastante fracturados generando bloques de roca que al caer se acumulan en las laderas de la quebrada. A.2. Unidades de Suelo Depósitos aluviales, fluviales y de remoción de masa antiguos (Qaf): Estos depósitos, son interca- laciones de depósitos aluviales, fluviales y de remoción en masa. Son depósitos que se encuentran bastante estables, presentando taludes subverticales en cortes de 2 a 3 metros de altura generados por caminos. La potencia de éstos depósitos llega a superar los 20 m. Granulométricamente son depósitos gravo-arenosos con algunos bloques que llegan a medir 1 metro de diámetro, presentando como matriz un material arenoso fino de color pardo, con una cantidad menor a un 2 % de sue- lo limoso. El material está compuesto por part́ıculas en general subredondeadas, de composición volcánica proveniente de las rocas que conforman la formación Abanico. Su presencia en la zona se manifiesta en la parte poniente, bajo los 1100 m.s.n.m. Depósitos Abanicos Aluviales (Qaa):Son depósitos aluviales de granulometŕıa gruesa, gravo- arenosa con matriz limo-arcillosa, que se encuentran rellenando el pie de las quebradas. Topográfi- camente generaun un relieve suave y de poca pendiente. Estos depósitos de encuentran a los pies de las quebradas. Depósitos aluviales aluvionales antiguos (Qaaa): Son depósitos que corresponden a material de origen aluvial y aluvional, de más de 20 m de espesor de detritos (bloques, gravas y arena), que rellenan los cauces actuales. Son producto de intercalaciones de flujos de detritos y de flujos de agua de diversa enerǵıa. Se encuentran formando colinas. Estos son depósitos bastante compactos y estables que forman superficies de poco desnivel topográfico. Depósitos de remoción en masa aterrazados (Qrmt): Esta unidad se define como depósitos de granulometŕıa media, con bloques en una matriz limo-arcillosa, de espesor mayor a 20 m compac- tos y estables. Corresponden a antiguos eventos de remoción en masa. Forman un nivel aterrazado extenso en el tramo donde la quebrada principal cambia abruptamente su orientación E-W a NW-SE. Escombros de falda (Qe):Depósitos de espesor superior a 1 m, Compuestos de arena, grava y blo- ques inmersos en una matriz limo-arenosa que se encuentra en las laderas de los cerros. Son depósitos gravitacionales, de compacidad media y se encuentran distribuidos en las laderas de los cerros. Se MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB A-4 encuentran bloques anulosos de hasta 2m de diámetro y grava fina, en una matriz limo-arenosa de color pardo oscuro que presenta humedad natural del terreno. Estos depósitos se encuentran bajo los 1200 m.s.n.m., en ambos lados de la Quebrada de Macul, lados norte y sur. Depósitos coluviales (Qc): Acumulaciones e bloques, grava y arena sin o con escasa matriz. Se encuentran en zonas de alta pendiente en laderas de cerros, en la zona, principalmente en la parta alta de la quebrada. Generalmente se encuentran con un espesor mayor a 1m. Son depósitos de baja compacidad que se concentran en el centro del depósito, al pie de afloramientos rocosos. Son depósitos en equilibrio inestable. Litológicamente, corresponden a lavas, lavas brechosas y brechas pertenecientes a la formación abanico. Depósitos de remoción en masa recientes (Qrmr): Depósitos de bloques y lavas en matriz arenosa ligeramente arcillosa, abarcado las laderas y el eje de la quebrada. Corresponden a depósitos de baja compacidad, susceptibles a ser removilizados, que muestran evidencias de reptación. Depósitos fluviales y aluvionales recientes (Qfar): Depósitos de detritos (bloques, gravas y arenas) en matriz arcillosa que rellenana los cauces actuales. Producto de intercalaciones de flujos de detritos y flujos de agua de diversa enerǵıa. Se encuentran levées y represas en el cauce. Depósitos de suelos residuales (qs): Depósitos con un espesor superior a 1 m. Compuesto de bloques en matriz limo-arenosa. Cubre zonas extensas en la parte baja y media de la quebrada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB A-5 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO B: Levantamiento Topográfico Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 B. Levantamiento Topográfico En esta capitulo se contempla la descripción de los trabajos de terreno, entre los que se encuentran levantamientos topográficos realizados con Estación Total y equipos GNSS. Además, la realización del levantamiento aerofotogramétrico con equipo drone. La campaña de terreno es ejecutada entre el 24 de octubre y el 4 de noviembre de 2016. Para cuantificar la información levantada, se utiliza el Sistema Internacional de Unidades (SI). Geográficamente, la información está referida al dátum WGS-84 y corresponde a un sistema to- pográfico plano, cuya información es entregada por el mandante por medio de monograf́ıas (se adjunta en el Anexo 1). A continuación se describe la metodoloǵıa , desarrollo y procesamiento de la información levantada para obtener la topograf́ıa del lugar de estudio. En el Anexo 1 se tiene el informe completo del Area de Operaciones del INH. B.1. Metodoloǵıa B.1.1. Vinculación Para realizar la vinculación, en terreno se identifican vértices entregados por el mandante los cuales fueron facilitados por medio de monograf́ıas. Se realizan mediciones GNSS-RTK de todos los vértices entregados, apartir de dichas mediciones, se realiza el escalado y rotación de las mediciones si fuera necesario. La georreferenciación de las mediciones se realiza a partir del Vértice “HON3”, y para las mediciones altimétricas se realizan comparaciones de los valores entregados y los obtenidos con las mediciones GNSS por medio del modelo geoidal global EGM08, lo que corresponde a las alturas ortométricas. Figura B-1: Distribución de Vértices. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-2 B.1.2. Levantamiento Topográfico Se realiza medición de perfiles topográficos en el cauce de la Quebrada de Macul, en una longitud de aproximadamente 500 metros aguas arriba de los decantadores. Se estima la medición de alrededor de 33 perfiles los cuales están distanciados cada 15 metros y longitudes entre los 40 y 90 metros aproximadamente. Con los perfiles topográficos deben quedar graficadas las curvas y las singularidades existentes en el cauce. Figura B-2: Distribución tentativa de perfiles. B.1.3. Levantamiento Aerofotogramétrico El trabajo consiste en la realización de un vuelo fotogramétrico Digital en la zona de interés, sector de piscinas decantadoras de Quebrada de Macul. La información obtenida permitirá tener informa- ción actualizada del sector. La altura de vuelo seleccionada es de 120, lo que lleva a tener un tamaño de ṕıxel de 4 cent́ımetros aproximadamente. Los puntos de apoyo terrestre que se utilizan para el ajuste del levantamiento son referenciados a partir de los vértices geodésicos entregados por el mandante. B.1.4. Planificación de Vuelos Los parámetros que se deben definir en la planificación de los vuelos son: la altura de vuelo y el traslape de fotograf́ıas. Estos parámetros tienen directa relación con el área que se necesita cubrir MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-3 y el tamaño del ṕıxel a obtener con las fotograf́ıas. La altura de vuelo se debe definir en atención a los diferentes obstáculos naturales o artificiales que se encuentren en terreno, como por ejemplo cerros o torres de alta tensión. Se deben tener en cuenta además, factores propios del equipo, como por ejemplo la autonomı́a de vuelo del UAV, que en este caso corresponde a aproximadamente 50 minutos (tiempo de duración de la bateŕıa). B.1.5. Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestre La orientación absoluta de los levantamientos es realizada mediante Puntos de control terrestre, los que fueron medidos mediante GNSS en Tiempo Real. Los puntos de apoyo terrestre son materializados mediante triángulos rectángulos de tela de lados de hipotenusa de 2 metros. Estos triángulos son definidos en gabinete y materializados en terreno, momentos antes de realizar el vuelo. (a) (b) Figura B-3: Ejemplo de puntos de control terrestre. B.2. Desarrollo B.2.1. Vinculación Debido a que en la fase de recopilación de la información no fue posible determinar claramente los parámetros con los cuales fue creado o calculado el Plano Topográfico Local , en una primera instancia se realiza una medición con equipos satelitales bajo la metodoloǵıa GNSS-RTK. Para ello se ocupa como base el vértice “HON3” y se realizan mediciones a cada uno de los vértices entregados por el mandante. Dichas mediciones se realizan utilizando como referencia el dátum WGS-84 y la proyección UTM huso 19. Obviamente, se encontraŕıan diferencias en las distancias entre vértices por sistemas de proyección distintos (planas vs UTM), siendo la mayor de éstas 13 cent́ımetros. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-4 Debido a estas diferencias, se realiza gráficamente (CAD) un ajuste en la escala de lo medido a lo entregado, es decir, lo medido en UTM huso 19 se transforma a las coordenadas planas entregadas por el mandante, de esta forma la diferencia de 13 cent́ımetros se reduce a aproximadamente 1 cent́ımetro. Esto permite trabajar en el mismo sistema utilizado por el mandante, y es compatible con trabajos futuros que se deseen realizar a partir de los vértices entregados. Figura B-4: Preparación de Equipos GNSS-RTK para mediciones. B.2.2. Levantamientos Topográficos Los perfiles topográficos son medidos por las metodoloǵıas GNSS-RTK y Estación Total. En total son 33 los perfiles medidos con un distanciamiento de 15 metros entre ellos y con una longitud entre 40 y 90 metros. Dentro de las posibilidades, se utilizaŕıa en la totalidad del levantamiento la metodoloǵıa GNSS- RTK, porque el rendimiento con esta metodoloǵıa es mayor que la Estación Total. Sin embargo, al ser una medición con equipos satelitales, tiene como restricción el tener un horizonte despejado, es decir, que no existan elementos que generen interferencias a la señal satelital (árboles, edificios, etc.). Al ser una zona con una significativa vegetación, entre ellos árboles de gran envergadura, no fue posible realizar la totalidad de la medición con GNSS-RTK, especialmente en la ribera norte de la Quebrada de Macul. Por este motivo, en dicho sector se realiza la recopilación de información a través de Estación Total, de esta forma, se evita perder constantemente señal satelital y de esta manera limitar el tiempo que conlleva la reinicialización de la señal GNSS. B.2.2.1 Levantamiento Aerofotogramétrico con UAS Se planifica 1 vuelos a 120 metros de altura y con un traslape de 80 %. Este vuelo se logra cubrir el área deseada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-5 Figura B-5: Sector Vuelo UAS. B.2.3. Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestres La orientación absoluta de los levantamientos es realizada mediante los Puntos de control terrestre, los que son medidos mediante GNSS en Tiempo Real. Los puntos de apoyo terrestre son materializados mediante triángulos de tela de lados de 2 metros. Deben estar materializados y medidos antes de realizar los vuelos (Figura B-6). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-6 Figura B-6: Materialización de puntos de control terrestre. Las coordenadas y cotas de dichos punto de apoyo fueron asignadas desde los vértices entregados por el mandante. Teóricamente, para cada vuelo, se utilizan como mı́nimo 5 puntos de control, distribuidos como se muestra en la Figura B-7. Figura B-7: Distribución Teórica de Puntos de Control. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-7 Figura B-8: Medición de punto de control terrestre con GNSS RTK. Para esta ocasión se materializan 31 puntos de control, debido a las diferentes alturas existentes debido a las piscinas de decantación construidas en el sector, de esta forma se asegura la buena calidad de la información. Figura B-9: Puntos de control vuelos Confluencia. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-8 B.2.4. Vuelos Previo a la ejecución de cada vuelo es necesario realizar un check list para verificar el correcto funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema. Una vez realizado el chequeo se está en condiciones de comenzar el vuelo. Figura B-10: Equipo listo para el vuelo Una vez finalizado el vuelo se deben descargar las fotograf́ıas desde la cámara y el archivo de misión, que contiene toda la información levantada durante el vuelo. Tabla B-1: Detalles de Vuelos Realizados No de Vuelo Cantidad de Fotos Altura de Vuelo Traslape de Fotos Tamaño Pixel 1 660 120 80 % 4 cm B.3. Levantamiento Topográfico En cuanto a los levantamientos topográficos, no es mucho el post-proceso de información que se debe realizar. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-9 Principalmente, debido a que la metodoloǵıa GNSS-RTK entrega los datos ya calculados, El único proceso que se realiza a esta información, es escalar y rotar respecto a los vértices entregados por el mandante. Por otra parte, la información levantada con Estación Total no necesita tratamiento, ya que, las medidas obtenidas por este equipo son planas, por lo que no es necesario trasladar de UTM a pla- nas, solo se debe tener la precaución , de iniciar el levantamiento desde vértices ya ajustados a planos. La totalidad de puntos levantados en los perfiles alcanza los 397 puntos, de los cuales 322 son por medio de GNSS-RTK y 75 por medio de Estación Total. Figura B-11: Levantamiento topográfico Quebrada de Macul. B.4. Vuelos Aerofotogrametricos Una vez recopilada la información del vuelo se debe realizar su postprocesamiento en el módulo Fotogramétrico del Software Trimble Business Center. Para esto se debe crear un proyecto con el sistema de coordenadas correspondiente a la zona de levantamiento e importar el archivo de vuelo y las coordenadas de los puntos de control terrestre. En la Figura B-12 se puede observar la totalidad de las ĺıneas de vuelo realizadas para el área de Quebrada de Macul. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-10 Figura B-12: Vuelo Quebrada de Macul. Como se puede apreciar en Figura B-12, la importación de datos de vuelo muestra la ubicación de todas las ĺıneas de vuelo, aśı como la ubicación de cada fotograf́ıa tomada a través de las mismas. Al hacer un acercamiento de cada punto en donde se tomaron fotograf́ıas se puede apreciar que se muestra el nombre identificador de la fotograf́ıa y una vista miniatura de la imagen obtenida Figura B-13. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-11 Figura B-13: Información de fotos de vuelo. Antes de utilizar los datos importados de levantamiento aéreo para crear un ortomosaico, un modelo de superficie digital basado en ráster (DSM) o una nube de puntos, debe ajustar las estaciones de fotograf́ıa aérea. Para esto existen dos tipos de ajuste: Ajuste mediante puntos de paso : Un punto de paso es un punto de una imagen fotográfica que representa la misma ubicación en una imagen adyacente. Cuando se realiza un ajuste con puntos de paso, Trimble Business Center identifica automáticamente los puntos de paso de las imágenes fotográficas y las hace coincidir de modo tal que las estaciones de fotograf́ıa aérea queden orientadas correctamente entre śı. Además, crea una referencia con el terreno según las posiciones GNSS autónomas que se registraron cuando se capturaron las imágenes. Este es el ajuste mı́nimo que se requiere antes de crear entregas de levantamiento aéreo. Ajuste mediante puntos de control terrestre :Un punto de control terrestre (GCP) es una ubicación de coordenada levantada con un alto nivel de precisión para una caracteŕıstica f́ısica que se puede identificar en el terreno y que se usa para georreferenciar imágenes. (Para este proyecto se usaron objetivos fácilmente identificables para señalar los puntos de control terrestre.) Este ajuste permite realizar observaciones de fotogrametŕıa a los puntos de control terrestre para ofrecer una referencia más precisa de las estaciones de fotograf́ıa aérea, en comparación con las que se obtendŕıan si se usara solo el ajuste con puntos de paso. A continuación se muestran los dos resultados que se obtuvieron de los vuelos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-12 B.5. Entregables de Levantamiento Aéreo B.5.1. Nube de Puntos Es un conjunto de vértices en un sistema de coordenadas tridimensional, generalmente definido por las coordenadas X, Y y Z, ideado para representar la superficie externa de un objeto. Las nubes de puntos generadas a partir de cada levantamiento son tratadas mediante filtros con la finalidad de eliminar puntos correspondientes a vegetación y agua. Figura B-14: Curvas de nivel obtenidas a partir de la de nube de puntos. B.5.2. OrtoMosaico Un ortomosaico es una foto compuesta por múltiples ortofotos georreferenciadas que han sido co- rregidas para reducir la distorsión de la lente y el relieve topográfico.Se puede usar para medir distancias realmente planas, ya que es una representación ortográfica (sin perspectiva) de la super- ficie de la Tierra. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-13 Figura B-15: Ortomosaico Quebrada de Macul. B.6. Sistema UAS Los sistemas aéreos no tripulados UAS (por sus siglas en inglés: Unmanned Aerial Systems) son hoy en d́ıa una herramienta revolucionaria en el ámbito de la topograf́ıa y cartograf́ıa, poniendo a su disposición técnicas que hasta hace unos años eran de muy dif́ıcil adquisición, desarrolladas exclusivamente por los grandes especialistas en fotogrametŕıa, o bien su costo era demasiado elevado para poner en práctica en ciertos trabajos. B.7. Trimble UX5 B.7.1. Funcionamiento General El UAS Trimble UX5 está compuesto básicamente por el avión con motor eléctrico y por la estación de control terrestre, los cuales se comunican mediante un enlace radial, y luego de una planificación de vuelo el avión realiza el levantamiento fotogramétrico de forma automática, con total seguridad. Luego es posible procesar las imágenes y obtener productos de alta calidad. B.7.2. Cámara Digital para Imágenes de Alta Calidad El Trimble UX5 usa las últimas novedades del mercado de las cámaras digitales, lo que garantiza una calidad de imagen óptima con la máxima precisión fotogramétrica. A diferencia de una cámara compacta tradicional, la cámara del UX5 tiene un sensor de imagen de gran tamaño que captura imágenes en color muy ńıtidas, incluso en zonas poco iluminadas o con nubosidad. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-14 Trimble ha seleccionado la cámara Sony NEX-5R debido a su sensor APS-C de gran tamaño y a su resolución de 16.1 MP. La superficie del sensor es de 365.04 mm2; este mayor tamaño del sensor implica que el tamaño de cada ṕıxel individual también es superior al de muchas otras cámaras utilizadas en UAS. Este tamaño de ṕıxel, ĺıder en su clase, es importante ya que permite un fuerte aumento de la sensibilidad a la luz, rango dinámico y relación señal-ruido, lo que reduce drásti- camente el ruido incluso en valores altos del ISO. Esto permite al usuario utilizar una velocidad de obturación fija y una ISO ajustada automáticamente que oscila entre 100 y 3200, produciendo imágenes ńıtidas y de alto contraste, con un brillo constante, incluso en condiciones de luz adversas y cambiantes, aśı como en zonas de sombra. Esto elimina la necesidad de los usuarios de ajustar el brillo y variar manualmente la velocidad de obturación y el ISO a un valor fijo durante el vuelo. El tamaño del sensor, y por el ende el tamaño de cada ṕıxel individual, son important́ısimos para poder obtener imágenes de alta calidad. Por lo tanto, si se comparan 2 cámaras compactas de 16.1 MP, una resulta ser muy superior a la otra debido al tamaño del sensor y de los ṕıxeles. El tamaño de los ṕıxeles de la cámara Sony NEX-5R se aproxima al tamaño de los ṕıxeles de las cámaras de formato medio y grande utilizadas en levantamientos aéreos convencionales, con la misma calidad de imagen como resultado. Desde un punto de vista fotogramétrico, la mayor ventaja de la cámara usada en el Trimble UX5, en comparación con las cámaras compactas usadas en otros UAS, es el lente exterior. Un lente externo fijo ofrece una geometŕıa interna más estable, que resulta en una calibración de la cámara más fiable que la de un objetivo retráctil. Para el UX5, ha sido elegido un lente exterior Voigtländer de 15 mm de longitud focal fija, con enfoque mecánico y anillo de apertura. Para aumentar aún más la estabilidad de la geometŕıa interna, un adaptador personalizado ha sido diseñado por Trimble para reemplazar la cámara estándar y montajes del lente, que permiten movimientos de rotación del punto principal, por un adaptador montado con un tornillo de dos partes. Además, el lente está equipado con un tornillo de un colimador durante la producción, garantizando no sólo imágenes ńıtidas a cualquier altura de vuelo sobre el terreno dentro del rango recomendado (75 — 750 m), sino también una longitud focal más estable a lo largo de todos los proyectos. La mejora de la estabilidad de la cámara se traduce directamente en una mayor precisión de los productos finales. La cámara Sony NEX-5R viene con una Tarjeta SD de 16 GB, la cual permite almacenar hasta 2.400 fotograf́ıas a la más alta resolución, lo que significa que esta tarjeta puede almacenar la información de 6 vuelos de 400 fotograf́ıas cada uno. Los formatos de grabación y descarga de las fotograf́ıas pueden ser JPEG o RAW. B.7.3. Especificaciones de Funcionamiento Avión tipo: Ala fija Peso: 2.5 kg Superficie alar: 34 dm2 Dimensiones: 100 x 65 x 10.5 cm Material: Marco de carbono y cuerpo de polipropileno expandido MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-15 Propulsión: Motor eléctrico sin escobillas de 700 W Bateŕıa: Poĺımero de Litio 14.8 V – 6000 mAh Cámara: Sony NEX-5R de 16.1 MP y sensor APS-C de 365.04 mm2 Controlador: Robusta Trimble Tablet PC Autonomı́a: 50 minutos Recorrido por vuelo: 60 Km Velocidad crucero: 80 km/h Altitud de vuelo sobre el terreno: 75 – 750 m Altitud geográfica máxima: 5.000 m.s.n.m. Ĺımite climático: Viento de 65 km/h y lluvia ligera Resolución (tamaño ṕıxel): 2.4 – 24 cm Traslape fotograf́ıas: 70 – 90 % Alcance de control: 5 Km Tipo de despegue: Catapulta de lanzamiento Tipo de aterrizaje: Con el vientre Espacio para aterrizar: 50 x 30 m B.7.4. Puntos de Control Terrestre Al igual que cualquier levantamiento aerofotogramétrico convencional, el realizado por el Trimble UX5 necesita de apoyo terrestre, a través de puntos de control georreferenciados. Básicamente se necesitan instalar 5 puntos por vuelo, uno en cada esquina del poĺıgono, más otro en el centro. Estos puntos deben materializarse en terreno con marcas que sean visibles después en las fotograf́ıas, y levantados topográficamente mediante instrumentos GNSS en RTK. Estos puntos de control per- mitirán ajustar el levantamiento y georreferenciarlo al sistema de coordenadas que se necesite. B.7.5. Software de Procesamiento El módulo de fotogrametŕıa del software Trimble Business Center (TBC) permite obtener resultados de alta calidad a partir de la información obtenida con los vuelos del Trimble UX5. Basándose en la avanzada tecnoloǵıa del software Inpho, que tiene más de 30 años de experiencia en procesamiento fotogramétrico, TBC ha incorporado este módulo de fotogrametŕıa con flujos de trabajo optimi- zados, y que genera excelentes resultados sin la necesidad de que el usuario tenga experiencia o conocimientos especializados en fotogrametŕıa. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-16 El módulo de fotogrametŕıa de TBC se integra perfectamente con los otros módulos topográficos (estándar y avanzado) del software TBC, haciendo posible procesar proyectos cartográficos comple- tos con imágenes aéreas, imágenes de instrumentos que utilicen tecnoloǵıa Trimble VISION, GNSS y observaciones de estación total y escáner láser. El proceso de triangulación aérea ajusta las estaciones fotogramétricas, localizando automáticamen- te los puntos de unión coincidentes de las imágenes superpuestas para corregir sus orientaciones y posiciones relativas. Los puntos de control terrestre pueden registrarse fácilmente a través de un archivo de coordenadas para corregir la posición absoluta y la escala de las estaciones. B.8. Sistema GNSS El Sistema Global de Navegación por Satélite – GNSS, permite determinar y transportar coorde- nadas de puntos materializados sobre la superficie terrestre, referidas a la superficie anaĺıtica que representa la Tierra, el elipsoide del sistema geodésico mundial WGS-84. Con observación de la fase portadora, se puede determinar vectores relativos (4X, 4Y , 4Z) con precisión planimétrica en latitud y longitud (φ, λ) o norte y este (N, E) del orden de ± (0.005m + 1 a 2ppm) (partes por millón de la longitud del vector), es decir 1 a 2 mm/km; por ejemplo, las coordenadas Norte y Este transportadas a una distancia de 1000 m, tendrán una precisión relativa de 6 a 7 mm, lo que corresponde a una precisión relativa horizontal entre 1/166000 y 1/142000. Por otra parte la precisión altimétrica (h), respecto al elipsoide, es algo menos precisa que la planimétrica, alcanzando el orden de ± (0.010m + 3 a 4ppm). Estas precisiones se alcanzan empleando los procedimientos y bajo las condiciones citadas en los Aspectos Normativos de las Secciones 2.304.7 y 2.312.9 del Manual de Carreteras, Versión 2001. B.8.1. GNSS Tiempo Real (RTK) En la solución en tiempo-real usando la fase portadora (RTK), el receptor base se instala en una estación de coordenadas fijas y env́ıa v́ıa radio las observaciones al receptor móvil, donde se realiza el procesamiento de la solución por “doble frecuencia”. Es importante indicar, que el software de procesamiento de datos de la colectora de información, debe tener ingresado el modelo geoidal a utilizar, en este caso el EGM08, lo que permite obtener la referenciación altimétrica adecuada para este orden de precisión. De no ser aśı, el usuario deberá cargarlo antes de iniciar el proceso de medición. En RTK no existe un protocolo de comunicación patrón para los fabricantes de receptores GNSS, de modo que cada uno de ellos usa un formato particular, por lo tanto generalmente no hay compa- tibilidad entre receptores de diferentes marcas. Con esta metodoloǵıa se pueden obtener precisiones cercanas al rango de los 1 a 5 cm. Para el levantamiento mediante metodoloǵıas GNSS deberán tenerse presente las siguientes reco- mendaciones adicionales: En terrenos de topograf́ıa dif́ıcil o vegetación densa y alta, las determinaciones pueden quedar distorsionadas por efectos de obstrucción e interferencia. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-17 En trazados sinuosos en planta y/o alzado, los intervalos de grabación de dato y su relación con la velocidad de recorrido deben estudiarse de modo de contar con una densidad de puntos adecuada. B.8.2. Equipos GNSS Imagen Los equipos GNSS Trimble R6-2 permiten el rastreo simultáneo de distintas constelaciones de satéli- tes, entre las que se encuentran GPS y GLONASS. La topograf́ıa se realiza utilizando equipos GNSS doble frecuencia Trimble R6-2 aplicando la meto- doloǵıa Cinemático en Tiempo Real (RTK), el cual nos entrega los siguientes rendimientos: Horizontal: 8 mm + 1 ppm RMS Vertical: 15 mm + 1 ppm RMS Para ello, el equipo se acompaña de una antena que emite señal de radio desde el equipo base con las correcciones al equipo móvil. La limitante de este procedimiento es la distancia entre equipo base y móvil. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB B-18 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO C: Granulometŕıas Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 C. Granulometŕıas Se desarrollaron 2 tipos de muestro para obtener la granulometŕıa en la zona de estudio. En primer lugar se realizaron tres (3) calicatas o pozos de exploración, la profundidad alcanzada es variable debido al afloramiento de agua, la profundidad máxima fue de 1,0 m, los estratos de suelo fueron cada 0,2m y con un máximo de 0,5m. Estas calicatas permiten describir principalmente la fracción más fina de los sedimentos. Por otro lado, se utilizó el método de Coleman (1954) para describir la granulometŕıa superficial en la zona debido a la presencia de grandes bloques que son dif́ıciles de muestrear y tamizar por el método tradicional. C.0.1. Calicatas En el Anexo 2 se adjuntan los certificados de granulometŕıa y el informe de sedimentos elaborados por la División de Operación del INH. A continuación se detalla la metodoloǵıa y los resultados mas importantes de las calicatas. La metodoloǵıa ocupada consiste en marcar la superficie del suelo en un cuadrado de 1m x 1m, se escaba y se deposita el material sobre un polietileno, esta operación se repite separando estratos de 0,5m, se tamiza y pesa en terreno cada estrato en su fracción gruesa hasta los 30mm como tamiz inferior, el material que pasa por el tamiz inferior se pesa y se toma una muestra representativa la cual es analizada en el laboratorio de sedimentos del INH, en Peñaflor. Figura C-1: Calicatas en terreno. C.0.1.1 Distribución de Calicatas Se escavaron tres (3) calicatas que e muestran en la Tabla C-1 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-2 Tabla C-1: Ubicación de las Calicatas. Ítem Fecha Calicata Zona UTM Este (m) Norte (m) Profundidad alcanzada (m) C-1 15-nov-16 19 339675 6292140 0.7 C-2 16-nov-16 19 359346 6292065 0.53 C-3 17-nov-16 19 359233 6292051 1 En la Figura C-2 muestra la distribución espacial de los pozos granulometricos en la zona de estudio. Figura C-2: Distribución de Calicatas. C.0.1.2 Distribución de Sedimentos Las calicatas fueron denominadas según lo que se señala en la Tabla C-2 Tabla C-2: Detalle de la denominación de las calicatas Denominación Calicatas Detalle C1 0.0-0.05 Calicata N1, primer estrato entre 0 y 0.05 metros C1 0.05-0.5 Calicata N1, segundo estrato entre 0.05 y 0.5 metros C1 0.5-1.0 Calicata N1, tercer estrato entre 0.5 y 1 metros C2 0.0-0.05 Calicata N2, primer estrato entre 0 y 0.05 metros C2 0.05-0.2 Calicata N2, segundo estrato entre 0.05 y 0.2 metros C2 0.2-0.4 Calicata N2, tercer estrato entre 0.2 y 0.4 metros C2 0.4-0.6 Calicata N2, cuarto estrato entre 0.4 y 0.6 metros C3 0.05-0.2 Calicata N3, primer estrato entre 0.05 y 0.2 metros C3 0.2-0.4 Calicata N3, segundo estrato entre 0.2 y 0.4 metros C3 0.4-0.7 Calicata N3, tercer estrato entre 0.4 y 0.7 metros C3 0.7-0.9 Calicata N3, cuarto estrato entre 0.7 y 0.9 metros C3 0.9-1.0 Calicata N3, quinto estrato entre 0.9 y 1.0 metros MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-3 En las siguientes Figuras se observa el análisis efectuado para obtener los resultados por estrato de sus respectivas calicatas. (a) (b) Figura C-3: Calicata C1 0.0-0.05. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Gruesa, con un 7.89 % de Bolón, 88.41 % de grava, 3.14 % de arena y 0.56 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0-0.05 m (Fuente, Elaboración Propia) (a) (b) Figura C-4: Calicata C1 0.005-0.5. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Bolón Grueso, con un 46.21 % de Bolón, 34.79 % de grava, 16.53 % de arena y 2.48 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0.05-0.5 m (Fuente, Elaboración Propia) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-4 (a) (b) Figura C-5: Calicata C1 0.5-1.0. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Bolón Grueso, con un 46,48 % de Bolón, 37,67 % de grava, 13,49 % de arena y 2,36 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C-1- 0.5-1.0 m (Fuente, Elaboración Propia) (a) (b) Figura C-6: Calicata C2 0.0-0.05. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 69,68 % de grava 28,69 % de arena y 1,63 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C2 0.0-0.05 m (Fuente, Elaboración Propia) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-5 (a) (b) Figura C-7: Calicata C2 0.05-0.2. (a) Gráfico Sedimento clasificado como como Grava Fina, con un 3,19 % de Bolón, 57,27 % de grava, 36,22 % de arena y 3,32 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C2 0.05-0.2 m (Fuente, Elaboración Propia) (a) (b) Figura C-8: Calicata C2 0.2-0.4. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 51,13 % de grava, 45,95 % de arena y 2,92 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C2 0.2-0.4 m (Fuente, Elaboración Propia) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-6 (a) (b) Figura C-9: Calicata C2 0.4-0.6. (a) Gráfico Sedimento clasificado como Grava Fina, con un 52,46 % de grava, 45,39 % de arena y 2,14 % de Limo. (b) Gráficos Distribución Frecuencias Muestra No C2 0.4-0.6 m (Fuente, Elaboración Propia) C.0.1.3 Diámetros Equivalentes En la Tabla C-3 se observan los diámetros equivalentes para todas las muestras ensayadas. Tabla C-3: Resultados Diámetros Equivalentes Calicata Muestra D95 D90 D84 D65 D50 D16 D5 1 M-Q. Macul C-1-0-0.05 114.68 103.94 94.11 68.69 48.47 21.74 8.57 M-Q. Macul C-1-0.05-0.5 764.56 570.89 402.09 130.23 92.88 3.38 0.38 M-Q. Macul C-1-0.5-1.0 211.52 174.76 138.99 115.46 91.83 5.75 0.46 2 M-Q. Macul C-2-0.0-0.05 7.57 56.97 46.59 24.61 14.08 1.99 0.49 M-Q. Macul C-2-0.05-0.2 76.43 50.19 35.05 16.43 8.79 1.17 0.29 M-Q. Macul C-2-0.2-0.4 54.74 43.12 32.38 14.82 5.97 0.74 0.28 M-Q. Macul C-2-0.4-0.6 50.94 39.55 29.19 13.21 6.27 0.91 0.36 2 M-Q. Macul C-3-0.0-0.05 101.99 96.63 90.58 73.80 62.01 33.81 27.79 M-Q. Macul C-3-0.05-0.2 682.18 454.54 279.24 129.71 89.07 14.41 1.17 M-Q. Macul C-3-0.2-0.4 231.96 210.19 186.74 128.39 95.80 5.47 0.54 M-Q. Macul C-3-0.4-0.7 216.03 182.30 148.71 89.35 51.00 2.48 0.39 M-Q. Macul C-3-0.7-0.9 127.28 122.93 117.90 80.88 32.38 1.26 0.28 M-Q. Macul C-3-0.9-1.0 179.15 127.33 114.39 79.92 52.61 1.45 0.24 C.0.2. Granulometŕıa Superficial El método de Coleman (1954) consiste en un muestreo granulométrico superficial aleatorio de la zona de estudio. El procedimiento consiste en primer lugar por definir una trayectoria para recorrer a pie capaz de abarcar la mayor área posible de tal manera que ésta sea lo más representativa posible. Posteriormente, se recorre caminando esta trayectoria y cada un cierto número de pasos previamente definido, el caminante se debe agachar y sin mirar debe tocar una piedra con su dedo MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-7 indice y recogerla, siempre y cuando su tamaño lo permita. Es importante, no mirar para que el muestreo sea completamente aleatorio. Una vez escogido el sedimento, se debe medir sus dimensio- nes principales (largo y ancho mayor). En caso de que el sedimento a muestrear sea muy grande y el siguiente conteo caiga sobre la misma roca, esta se debe contabilizar nuevamente. En caso de la trayectoria definida pase por rocas muy grandes sobre las cuales no se pueda subir, ésta se debe estimar visualmente y retomarse en un punto lo más cercano posible al conteo según la tra- yectoria original. En caso de que el conteo caiga sobre una roca enterrada, se debe escavar de tal manera que, en lo posible, se pueda medir en forma correcta sus dimensiones. No se debe contar basuras, ni material orgánico, aśı como tampoco zonas en que aflore basamento rocoso ya que éste no forma parte de los sedimentos arrastrados por el cauce. Idealmente, se debe contar con 2 perso- nas de tal manera que una camine, recoja y mida el sedimento y otra que vaya registrando los datos. Para que el muestreo sea válido deberá contener al menos 100 conteos, por lo que se deberá definir en forma adecuada su trayectoria y el número de pasos entre cada conteo. La medición de diámetro de la part́ıcula debe ser realizada sobre el .eje intermedio”de la misma, es decir, sobre el eje normal al plano formado por el eje mayor (eje sobre el cual se encuentra la dimensión más grande de la part́ıcula) y el eje menor (eje sobre el cual se encuentra la dimensión más pequeña de la part́ıcula). Para éste estudio, se definieron trayectorias transversales a la dirección principal del cauce espacia- das cada 3 metros aproximadamente en 5 áreas distintas de la zona de interés. Éstas trayectorias fueron recorridas por 3 grupos de dos personas, las cuales tomaban una muestra de sedimento cada 1 paso. Es importante notar, que 3 de estas zonas están ubicadas en el lugar donde se realizaron las calicatas en profundidad de tal manera de complementar la granulomotŕıa superficial (gruesa) con la granulometŕıa obtenida en las calicatas (finos). Por último, con los datos obtenidos en terreno se debe realizar una tabla que contenga dos columnas: rango de diámetros y número de part́ıculas que caen dentro de ese rango. Los diámetros máximos y mı́nimos de cada rango o clase están graduados según la metodoloǵıa ”half-phi”que define para el diámetro máximo incrementos logaŕıtmicos con base √ 2. A partir de esta tabla se construirá un gráfico de frecuencia porcentual acumulada según el diámetro, la cual será semejante a una curva granulométrica tradicional. La tabla no podrá contener diámetros inferiores a ∼ 5 mm debido a la dificultad de medir part́ıculas inferiores a éste valor. La curva granulométrica obtenida utilizando el método de Coleman, se muestra a continuación en que la figura C-10 muestra la curva granulométrica en cada una de las 5 zonas muestreadas y la figura C-11 muestra la curva granulométrica superficial final uniendo la granulometŕıa de todas las zonas anteriores. Además, en la tabla C-4 se muestran los diámetros caracteŕısticos de la curva granulométrica superficial final. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-8 101 102 103 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a zona1 zona2 zona3 zona4 zona5 Figura C-10: Curvas granulométricas muestreo superficial en zonas 1 a 5. 101 102 103 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a Figura C-11: Curvas granulométricas muestreo superficial final. Tabla C-4: Diámetros caracteŕısiticos granulometŕıa superficial en miĺımetros. D5 D16 D50 D65 D84 D90 D95 25.10 44.97 134.52 217.98 517.48 784.35 1217.79 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB C-9 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO D: Salida a Terreno para Determinación de Limos y Arcillas Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 D. Salida a Terreno para Determinación de Limos y Arcillas El d́ıa de 17 de enero de 2017, se realizó la campaña a terreno para determinar el porcentaje de limos y arcillas presentes en los depósitos de deslizamientos y vestigios de depósitos aluvionales ocurridos anteriormente en la Quebrada de Macul. Se tomaron las siguientes muestras de sedimentos para posteriormente ser analizadas en el labora- torio de sedimentos del INH: Se tomaron muestras a dos deslizamientos en las laderas de la quebrada que llegaron hasta la caja del ŕıo (figura D-1). Muestra en las laderas de la Quebrada en una zona donde se observaron deslizamientos (figura D-2). Se tomo una muestra de sedimentos en una barra formada en el lecho del cauce donde se observaron grandes bolones que fueron arrastrados por algún aluvión en el pasado. Esta barra se ubica justo en una curva pronunciada de la quebrada por lo que da a pensar que es una barra formada en la parte interna de la curva. Si bien el ŕıo pasa actualmente por la parte interna de la curva, puede ser que haya ido erosionando esta barra en el tiempo hasta su condición actual. Las muestras fueron tomadas en las paredes laterales de la barra tal como se muestra en la figura siguiente (figura D-3). Figura D-1: Deslizamientos 1 y 2 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB D-2 Figura D-2: Muestra en la ladera donde se visualizaron vestigios de deslizamientos. Figura D-3: Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB D-3 D.1. Curva granulométrica terreno Las muestras de sedimentos obtenidas en las laderas y vestigios de flujos de detritos ocurridos en la quebrada, son tomadas de la matriz del flujo de detritos, es decir, de las part́ıculas más finas donde están soportadas las part́ıculas mas ruesas y grandes bloques. El análisis granulométrico realizado en el laboratorio de sedimentos del INH arrojó la curva granulométrica indicada en la figura D-4. La figura D-5 muestra que solo un 0.83 % corresponde a material fino (limo). Es decir, el porcentaje de material fino en la quebrada es escaso e inferior al 0.83 % si incluimos en la muestra las part́ıculas gruesas que fueron excluidas. 10−1 100 101 102 0 20 40 60 80 100 ds mm % q u e p as a Figura D-4: Curva granulométrica obtenida de la barra presente en el cauce donde se evidenciaron vestigios de aluviones anteriores. Los sedimentos analizados solo corresponden a la matriz, es decir a las part́ıculas más finas y no a los grandes bloques. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB D-4 Figura D-5: Muestras de sedimentos en la barra formada en el cauce por algún evento aluvional en el pasado. Con linea amarilla se encuentra demarcada la barra. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB D-5 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO E: Reoloǵıa del fluido intersticial Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 E. Reoloǵıa del fluido intersticial Para las part́ıculas inferiores a 0.074 mm, se considera que se mezclan con el agua formando un fluido ambiente equivalente con sus propias caracteŕısticas reológicas. Para determinar la reoloǵıa del fluido en el prototipo, se realizaron ensayos en el reómetro AntonPaar modelo RheolabQC (figura E-1) perteneciente al departamento de Ingenieŕıa Civil, facultad de Ciencias F́ısicas y Matemáticas, Universidad de Chile. Una de las limitantes de éste reómetro es que no puede medir viscosidades inferiores a 6cp. Los ensayos realizados con el % de fino presentes en las muestras analizadas, no eran capaces de producir fluidos (agua+finos) con viscosidades superiores a 6cp, por lo tanto, no fue posible obtener su ley constitutiva con el reómetro de la Universidad de Chile. Figura E-1: Rheometro AntonPaar RheolabQC del departamento de Ingenieŕıa Civil de la Universidad de Chile. Por otro lado, utilizando la ecuación de Krieger y Dougherty (1959): µm/µ0 = (1− φ φ∗ )( − 2.5φ∗) (E-1) donde mum y µ0 corresponden a la viscosidad de la mezcla y del fluido respectivamente, se tiene que para una concentración de finos φ = 1 %, la viscosidad del fluido intersticial es de 1.03 cp, indicando que el efecto de los finos sobre la viscosidad del fluido es despreciable. Obrien (1988), realizó un estudio de la reoloǵıa de depósitos de flujos de barro naturales ocurridos en las Rocallosas (”Rocky Mounatins”) en el estado de Colorado, EE.UU cercano a las localidades de Glenwood Spring y Aspen. La matriz de los flujos de barro evaluados estaba compuesta exclu- sivamente por limos y arcillas a concentraciones volumétricas de 0.10 < φ < 0.45 las cuales fueron ensayadas en un viscośımetro de rotación. Los autores propusieron que la reológia de estos flujos de barro es del tipo Bingham, es decir, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB E-2 τ = τy + η ∂u ∂y (E-2) Según Obrien (1988) y sus referencias, se ha encontrado que el esfuerzo de fluencia τy y la visco- sidad de Bingham η incrementa exponencialmente con la concentración volumétrica de sólidos φ, proponiendo las relaciones indicadas en las ecuaciones E-3 y E-4 donde los coeficientes α1, α2, β1 y β2 fueron estimados emṕıricamente mediante regresión de los datos experimentales de las muestras de flujos de barro naturales. Los valores tomados por estos coeficientes, se muestran en la figura E-2. η = α1e β1φ (E-3) τy = α2e β2φ (E-4) Figura E-2: Coeficientes α1, α2, β1 y β2 estimados por Obrien (1988) para muestras de flujos de barro naturales en las Rocallosas cercano a las localidades de Aspen y Glenwood Spring, Colorado, EEUU (a) y para otras relaciones encontrada en la literatura (b). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB E-3 Tomando en consideración una concentración de finos del 1 % y utilizando la formulación de Obrien (1988) se tienen los siguientes resultados para la reoloǵıa del fluido intersticial: Tabla E-1: Reoloǵıa del fluido intersticial según Obrien (1988) considerando una concentración de finos del 1 %. Fórmula τy(Pa) η(cp) Aspen pit 1 2.34E-04 4.490 Aspen pit 4 3.02E-03 6.219 Aspen Natural soil 1.83E-04 1.807 Aspen mine fill 5.84E-05 14.432 Aspen Nnatural soil source 4.66E-05 0.065 Aspen mine fill source 3.35E-04 0.028 Gelnwood 1 4.22E-05 0.356 Gelnwood 2 9.06E-05 68.945 Gelnwood 3 9.52E-07 0.771 Gelnwood 4 2.31E-06 0.084 Iifa (1938) - 0.005 Dai et al. (1980) 3.10E-03 0.866 Kang and Zhang (1980) 1.89E-03 4.400 Qian et al. (1980) 1.68E-06 - 5.84E-05 - Chien Ma (1958) 7.12E-05 - 8.15E-05 - Fei (1981) 2.14E-04 - 5.87E-06 - La tabla anterior muestra que según Obrien (1988), el esfuerzo de fluencia considerando la escasa concentración de finos presente en la quebrada es prácticamente despreciable, mientras que la vis- cosidad de Bingham podŕıa tomar valores del orden de ∼ 5(cp) en algunos casos, en otros esta es inferior a 1(cp) lo cual no es f́ısicamente posible pues ésta es la viscosidad del agua y en otros casos puede alcanzar valores muy superiores a la del agua ∼ 68(cp), sin embargo, en los ensayos reológicos realizados en la Universidad de Chile no fue posible producir un fluido de viscosidad mayor a 6 cp. La alta variabilidad en los valores observados se puede deber a que Obrien (1988) realizó ajustes emṕıricos para cada suelo en particular considerando además concentraciones mı́nimas de finos del 10 %. Esto podŕıa explicar por un lado valores de viscosidad inferiores a 1(cp) considerando una concentración de finos del 1 % y una alta variabilidad en la viscosidad dado que los suelos utilizados son distintos. No obstante, es posible inferir que en la mayoŕıa de los casos, la concentración de 1 % de finos genera efectos despreciables sobre la viscosidad del agua. Finalmente, y considerando los distintos análisis realizados, se puede suponer que el fluido intersticial posee una viscosidad similar a la del agua. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB E-4 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO F: Modelo 0: Canal de Generación Flujo Aluvional Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 F. Modelo 0: Canal de Generación Flujo Aluvional EL modelo 0 tiene como objetivo diseñar un canal y las condiciones experimentales necesarias para generar un aluvión completamente desarrollado que será descargado al inicio del decantador n◦1. Un aluvión completamente desarrollado significa que los sólidos más grandes viajen en el frente del aluvión, y los más finos hacia la cola de éste (ver Figura F-1). Figura F-1: Forma t́ıpica de un aluvión. En la sección .Antecedentes del Estudio”, se indicó que el caudal máximo (liquido + sólido) del alu- vión se estimo en 80 m3/s y que la concentración volumétrica de sólidos estimada fue de un 38 %. A partir de estos antecedentes se determino que el caudal solido fue de 30.4 m3/s. Considerando una densidad de los sedimentos de 2650 Kg/m3, se tiene que el gasto solido estimado para el aluvión del 93 es de 80.6 ton/s. Considerando la escala 1:50 da un gasto ĺıquido de 4.5 lt/s y un gasto sólido de 4.6 Kg/s. En total se realizaron 30 ensayos experimentales, para lograr la configuración final del canal de generación del aluvión. En todos estos ensayos, la curva granulométrica fue aquella encontrada en terreno escalada a 1:50. Durante todo éste proceso, el Modelo 0 fue modificado en 4 versiones que se describen a continuación: Modelo “0”V1 : Consiste un canal de sección rectangular de 40 cm de ancho, 30 cm de alto, largo de 3 metros y una pendiente del 9 %. Posee un estanque de 3 m de largo, 1 m de ancho y 1 m de alto donde se realiza la mezcla agua-bentonita (fluido intersticial). Posee una compuerta que regula la salida del fluido intersticial y una cinta transportadora que vierte los sedimentos sobre el canal (ver figura F-2-a y F-3-a). Modelo “0”V2 : Consiste un canal de sección rectangular de 40 cm de ancho, 30 cm de alto, con una pendiente de 15 % durante 2 m de canal, luego posee una pendiente intermedia de 10 % durante 1 m y finaliza con una tramo final de 3 m y una pendiente de 9 %(ver figuras F-2-b y F-3-b). Modelo “0”V3 : Consiste un canal de sección rectangular de 40 cm de ancho, 30 cm de alto, largo de 4 metros y pendiente del 60 %. Posee una compuerta abatible para liberar la mezcla sólidos-ĺıquido. A diferencia de los Modelos 0 V1 y V2, en éste caso tanto los sólidos como el fluido intersticial se encuentran en el mismo compartimeinto(ver figura F-2-c y F-3-c). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB F-2 Modelo “0”V4 : Consiste un canal de sección rectangular de 40 cm de ancho, 30 cm de alto, largo de 8.2 metros y pendiente del 60 %. Posee un estanque donde se encuentra la mezcla sólidos-ĺıquido y una compuerta de apertura rapida accionada por la caida de un cuerpo de masa considerable(ver figura F-2-d y F-3-d). 2.5 m 5.5 m 3 m 3 m 1 m Estanque de Mezcla Compuerta Cinta Transportadora 2.5 m 3 m 3 m 2 m 1 m Estanque de Mezcla Compuerta Cinta Transportadora 1 m 4.5 m 3 m 1 m Estanque de Mezcla Compuerta Compuerta 0.8 m 3 m a) b) c) Compuerta 0.8 m 8.2m Zona de Transición Zona del RunOut d) Figura F-2: Esquemas instalación experimental Modelo 0. a) Modelo 0 V1. b) Modelo 0 V2. c) Modelo 0 V3. d) Modelo 0 V4. 9% =5.1° 3m 60%=30° 4m 60%=30° 8m a) b) c) d) Figura F-3: Instalación experimental Modelo 0. a) Modelo 0 V1. b) Modelo 0 V2. c) Modelo 0 V3. d) Modelo 0 V4. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB F-3 F.1. Historia de los Modelo 0 V1 a V4 La primera versión del Modelo 0, fue diseñado para poder alimentar por separado la fracción sólida y ĺıquida del aluvión y considerando la pendiente del 9 % que tiene la Quebrada de Macul antes de llegar a los decantadores. Sin embargo, la tasa de ingreso del material sólido (4.6 Kg/s) era muy alta como para que la fase ĺıquida fluidizara las part́ıculas y escurrieran a lo largo del canal, generandose rápidamente una acumulación de sedimetos en la zona de descarga de la cinta transportadora. Para poder solucionar el problema anterior, en la versión 2 del modelo 0 se aumenta la pediente del canal para favorecer el transporte de los sólidos, sin embargo, el resultado no es satisfactrorio. En un principio la fase ĺıquida arrastra a la fase sólida la cual queda en su gran mayoŕıa depositada en el cambio de pendiente. Ya avanzado el ensayo (algunos segundos), se comienza a acumular sedimentos en la descarga de la cinta transportadora sobre el canal. Los nuevos ensayos realizados en el Modelo “0”V2, arrojaron como resultado principal lo sensible que es flujo aluvional al cambio de pendiente, debido a que el mayor deposito se produce en la zona de transición entre la pendiente de 20 % y 9 %. Por lo que es necesario aumentar la pendiente y probar solo con una pendiente alta. Para solucionar lo anteiror, se decide por un lado ensayar sólo con una pendiente alta sin transiciones y por otro, cambiar el sistema de ingreso de sedimentos por un estanque ubicado al inicio del canal donde se mezclaran tanto la fase ĺıquida como sólida al 38 % en volumen. Según una breve revisión bibliográfica, en el trabajo de Haas et al. 2015 se observo que la instalación experimental consta de 2.0 metros de largo efectivo, 0.5 metros para el estanque de mezcla y una pendiente variable que va desde los 22-34o. En la Figura F-4 se muestra una foto de la instalación del canal y un esquema. Figura F-4: Instalación experimental Haas et al. 2015. En el trabajo realizado por Iverson 2010 se compararon diversos experimentos f́ısicos realizados en el canal de la USGS. Este canal consta 90 metros de largo efectivo, 4.7 metros para el estanque de mezcla y una pendiente fija de 30o. En la Figura F-5 se detalla la instalación del canal de la USGS. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB F-4 Figura F-5: Instalación experimental Iverson 2010. Dado estos antecedentes, se decide por una pendiente del canal del 60 % (angulo de 30 o) y un sistema de descarga del material sólido-ĺıquido tipo pulso aluvional tras la apertura rápida de una compuerta. Sin embargo, este Modelo 0 V3, poséıa solo 4 m de largo y el aluvión si bien flúıa, no era capaz de desarrollarse y que los sedimentos más gruesos viajaran en el frente del aluvión. Es por esto, que en la versión 4 del Modelo 0, se extiende el canal a 8 m de largo con una pendiente del 60 %. De esta manera, los ensayos lograron mostrar un flujo completamente desarrollado. Sólo queda regular la velocidad del frente para que fuese similar a las del aluvión del 93. Esto se logró con una apertura parcial de la comupera de solo 15 cm, e incrustando part́ıculas asociadas al d90 en el fondo del canal. Mayores antecedentes y el análisis de cada uno de los ensayos realizados pueden ser consultados en el informe Etapa2-A de la presente consultoŕıa. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB F-5 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO G: Diseño y Instalación Experimental de la Maqueta Conceptual Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 G. Diseño y Instalación Experimental de la Maqueta Conceptual En el siguiente Anexo se detalla el diseño del vertedero lateral como el de las Alternativas 2 y 4. También se muestran la Instalación experimental de la Maqueta Conceptual G.1. Diseño Vertedero lateral G.1.1. Caracteŕısticas generales del diseño de un vertedero lateral En la literatura, no se encontraron consideraciones para el diseño de vertederos laterales con flujos de detritos. Por tal motivo, se diseñará el vertedero lateral con las formulaciones establecidas para aguas claras y se evaluará su funcionamiento en los ensayos a realizarse en la maqueta y sus distintas alternativas. El umbral del vertedero se dispone por lo general paralelo al fondo del canal y considerando la misma pendiente i del canal. Además, se diseña para reǵımenes subcŕıticos y se debe tener en cuenta dos fenómenos que ocurren en el escurrimiento durante el vertimiento de la lámina ĺıquida sobre el vertedero. Estos fenómenos son: Un despegue de la lamina liquida en la pared lateral al inicio del vertedero. Choque de la masa de agua que vierte sobre la pared lateral al termino del vertedero. Ambos efectos se traducen en una longitud efectiva del vertedero inferior a la geométrica. Según F. Javier Dominguez esta reducción se traduce en: Si Lv < 5h =⇒ Lefectivo = L− 0.2h Si Lv > 5h =⇒ Efecto despreciable donde L es el largo del vertedero y h la altura media sobre el umbral del vertedero. Suponiendo que el eje hidráulico en el canal a lo largo del vertedero vaŕıa linealmente, el caudal vertido (Qv) se puede expresar de la siguiente forma: Qv = 2 5 (1−K5/2) 1−K CQLv √ 2gh3/2 v2 (G-1) donde K = hv1/hv2 es la relación de las cargas sobre el umbral del vertedero, donde hv1 es la carga sobre el vertedero a la entrada de éste y hv2 es la carga sobre el vertedero a la salida de éste. Cq es el coeficiente de gasto, Lv es el largo del vertedero. Finalmente, para ilustrar lo anterior se presenta la Figura ??. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-2 Figura G-1: Esquema conceptual vertedero lateral. Por otra parte, el coeficiente de gasto se ajusta según la formulación emṕırica realizada por Balma- ceda y Gonzalez (1930), determinada por : Vertedero de pared delgada: Cq = 0.345 + 0.000685 h2 v2 √ Lv (G-2) Vertedero de pared intermedia y gruesa con arista de entrada redondeada: Cq = 0.324 + 0.000387 h2 v2 √ Lv (G-3) G.1.2. Diseño Vertedero El caudal de diseño para el vertedero es de 237 m3/s que representa el caudal máximo probable en la Quebrada de Macul según Vargas (1999) (ver informe Etapa 1). Al igual que en el estudio de Prisma 2002, se considera que para el diseño del vertedero lateral el caudal que se desv́ıa hacia la Hondonada sea del 80 % del caudal de diseño. La ecuación G-1, asume que el flujo escurre con altura normal, sin embargo, el escurrimiento del flujo de detritos en la piscina de decantación es un proceso transiente y no puede asumirse altura normal de escurrimiento. Lo anterior, implica que no es posible conocer a priori la altura de carga sobre el vertedero hv2. Suponiendo un cierto K y un cierto largo efectivo Lv del vertedero, se puede obtener hv2 de la ecuación G-1. La figura siguiente muestra una serie de curvas donde se gráfica la altura hv2 en función del largo útil de vertedero (Lv) y de la relación de cargas (K). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-3 10 20 30 40 2 4 6 8 Lv (m) h v 2 (m ) K=0.9 K=0.8 K=0.7 K=0.6 K=0.5 K=0.4 Figura G-2: Curvas Altura de Carga en función del Largo del Vertedero y el Parámetro K. Un vertedero como el de la figura G-3, implicaŕıa desviar al flujo de detritos de su cauce natural en una curva de 90◦ (ver figura G-3). Sin embargo, estos tipos de flujos traen una gran inercia y es dif́ıcil desviarlos de su cauce natural. Por lo tanto, se ha dispuesto que el canal evacuador del vertedero hacia la Hondonada tenga un angulo de 45◦ respecto al eje medio de las piscinas tal como se muestra en la figura G-4. Figura G-3: Bosquejo alternativa 1 de las obras en la Quebrada de Macul MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-4 Figura G-4: Bosquejo alternativa 1 de las obras en la Quebrada de Macul G.2. Diseño Alternativas propuestas A continuación se detallan el diseño de las alternativas 2 y 4, esto debido a que la alternativa no tiene diseño producto que es la condición actual y la alternativa 3 es una derivada de la alternativa 2. G.2.1. Alternativa 2 La tabla G-1 muestra la eficiencia de la presa de apertura vertical (ecuación 2) en función del espa- ciamiento entre los elementos (ecuación 1). Es importante notar que si bien Mizuyama et al. (1995) sugiere utilizar una separación entre los elementos entre 1.5 − 2d95, en el caso de la quebrada de Macul d95 ∼ 3m que son rocas de gran envergadura y no necesariamente serán movilizadas por eventos menores. Por tal motivo, se ha decidido utilizar el d90 = 1.78m. Si bien deberá ser corroborada experimentalmente, a priori se define una separación entre los ele- mentos de la presa de apertura vertical de 2 ·d90 con lo cual se obtiene una eficiencia en la retención P = 73 %. Tabla G-1: Valores de Reducción del caudal (P ) en función de la separación mı́nima de los elementos de la presa vertical (Lmin) Qsp0 (m3/s) Qsp (m3/s) Lmin/d90 Lmin (m) d90 (m) C ( %) P 237.00 50.01 1.5 2.67 1.78 0.38 0.79 237.00 53.40 1.6 2.85 1.78 0.38 0.77 237.00 56.44 1.7 3.03 1.78 0.38 0.76 237.00 59.22 1.8 3.21 1.78 0.38 0.75 237.00 61.78 1.9 3.39 1.78 0.38 0.74 237.00 64.16 2.0 3.56 1.78 0.38 0.73 G.2.2. Alternativa 4 A conocimiento de los autores de éste estudio, no se encontró antecedentes de obras similares en la literatura. Por lo tanto, la definición de la longitud y apertura de la presa vertical se basa en MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-5 cálculos hidráulicos considerando que la obra fuese un vertedero de pared gruesa. A partir de Mery (2007), para un vertedero lateral, el caudal vertido Qv se calcula como: Qv = 2 5 (1−K2/5) 1−K CqLv √ 2gh3/2 (G-4) donde K = hv1/hv2, Cq es el coeficiente de gasto de un vertedero, que para este caso, toma el valor de 0.27 considerado como vertedero de pared gruesa de arista viva. Lv es el largo del vertedero considerado en este caso como el largo efectivo de la presa de apertura vertical, es decir, solo se considera el espaciamiento entre los pilares. hv1 es la altura aguas abajo del vertedero y hv2 la altura aguas arriba del vertedero. Estas alturas se obtuvieron de la altura alcanzada por el flujo en los pilares para la Alternativa 3 mediante un análisis de imágenes a partir de los videos registrados. El caudal medio estimado para el volumen de 0.2 m3 descargado en cada ensayo es de 0.04 m3/s. La estimación se realiza considerando que el volumen descargado toma un tiempo t∗ de 5 segundos desde que llega al decantador n◦1 hasta su detención, es decir, Qm = Vt t∗ = 0.04 [m3/s] (G-5) La Tabla G-2, indica el caudal vertido Qv por la presa de apertura vertical utilizando la ecuación G-4. En dicha tabla, L es el largo de la presa y Lv el largo efectivo, es decir, la suma de los espacia- mientos entre pilares. La separación entre pilares es la misma que en la Alternativa 3, 1.5 veces el diámetro de 1 m en prototipo, ya que éste diámetro de part́ıculas se considera altamente destructivo y es recomendable desviarlo hacia la hondonada. Lv es utilizado en la ecuación G-4 como si fuera el largo de un vertedero. K se asume constante e igual a 0.89 según las alturas máximas y mı́nimas obtenidas del análisis de imágenes. Aśı, se evalúa el caudal vertido a lo largo del tiempo ya que la altura del flujo en la presa de apertura vertical es máxima cuando impacta el frente aluvional y mı́nima cuando éste se detiene. Finalmente, promediando el caudal vertido en el tiempo y com- parandolo con el caudal medio Qm (G-5) se tiene que el porcentaje de caudal que pasa hacia la hondonada es de un 18 %, es decir, cercano al 20 % que se pretende dejar pasar hacia el segundo decantador. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-6 Tabla G-2: Dimensiones presa de apertura vertical ubicada en el centro de la Obra de desv́ıo aluvional Alternativa 4 y caudal vertido a través de la presa. t0 t1 t2 t3 t4 t5 Promedio L [m] 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 N◦ Pilas 4 4 4 4 4 4 4 D pilas [m] 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 Lv [m] 0.094 0.094 0.094 0.094 0.094 0.094 0.094 hv1 [m] 0.25 0.22 0.18 0.13 0.09 0.04 0.15 hv2 [m] 0.28 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0.17 Cq 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 K 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 g [m/s2] 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 Qv[m 3/s] 0.015 0.013 0.009 0.006 0.003 0.001 0.007 Qm [m3/s] 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 % desviado 38 % 32 % 23 % 15 % 8 % 3 % 18 % Considerando el diseño indicado en la tabla anterior, la figura G-5 y tabla G-3 muestran las dimen- siones en detalle de la Alternativa 4. a = 1.19cm es la apertura entre pilares, Lv = 0.094 el largo efectivo del vertedero, R = 3.56m el radio de curvatura, h es la altura de la obra de desv́ıo la cual se diseñó lo suficientemente alta para que no vertiera flujo sobre ella, Q = Q1 +Q2 son esquemáticos para indicar el sentido del flujo. Lv=5a a R h Q Q1 Q2 Figura G-5: Dimensiones Alternativa 4 en detalle. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-7 Tabla G-3: Diemnsiones principales en modelo y prototipo para la Alternativa 4 Parámetro Modelo Prototipo a [m] 0.012 0.595 Lv [m] 0.094 4.700 R [m] 3.560 178.000 h [m] 0.205 10.250 G.3. Instalación Experimental G.3.1. Montaje Experimental El montaje experimental completo se muestra en la Figura I-7. Para explicar y detallar el monta- je, éste se separó en 4 partes, la primera zona de generación del aluvión que corresponde al canal ubicado aguas arriba, la segunda es la zona donde se construyen las obras de desv́ıo (Piscina 1), la tercera es la zona que recibe el material que no se logró desviar (Piscina 2) y la última zona corresponde a la hondonada que es donde se recibe el material desviado. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-8 (a) (b) Figura G-6: (a) Vista frontal instalación experimental (b) En rojo zona superior donde se genera el aluvión, en azul zona donde se construyen las obras de desv́ıo (piscina 1),en verde zona de retención del material no desviado (piscina 2) y negro zona de retención del material desviado (hondonada). A continuación se detallan las zonas del montaje experimental: Zona generación aluvión La instalación experimental dispone de un estanque en la parte superior donde se carga el material que será liberado de forma instantánea mediante dos compuertas que se abren me- diante un sistema de poleas (polipasto) y un peso que genera la tracción. Como se explica más adelante, el volumen de material podrá ser liberado ya sea mediante un único pulso, para lo cual se acciona sólo una de las compuertas, o mediante dos pulsos para lo cual se utilizan ambas compuertas. Una vez liberado el volumen, éste escurre por un canal con pendiente 30◦ y un largo de 7 metros, llegando a una zona de transición de 1.2 metros, donde la pendiente baja de 30◦ a 4◦. En la Figura G-7 se puede apreciar lo detallado. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-9 (a) (b) Figura G-7: Instalación Experimental, zona superior (generación aluvión). (a) Vista lateral, en rojo estanque de carga y en azul canal. (b) Vista frontal, en rojo estanque de carga y compuerta, en azul canal y en verde zona de transición. Zona obras de desv́ıo Aguas abajo de la zona de transición, viene la zona donde se construyó las maqueta de las primeras dos piscinas de decantación y su respectiva obra de desv́ıo hacia la hondonada (Al- ternativas). La primera piscina tiene una pendiente longitudinal de 4◦ con un largo de 1.94 m y ancho de 0.63 m en su base, la sección transversal es constante de forma trapecial con un talud de 1:2 (V:H) en ambas riberas. El material de construcción de la ribera derecha (visto desde aguas arriba) y el lecho de la piscina son de hormigón, mientras que el material de construcción de la ribera izquierda es de madera para tener mayor libertad constructiva al momento de realizar modificaciones a las obras de desv́ıo. En la ribera izquierda, se construye un vertedero lateral de ancho variable. La zona de la pis- cina 1 termina con dos posibles alternativas, la primera es un muro transversal con vertedero, construido de madera, y la segunda es una presa de control aluvional de apertura vertical MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-10 construida en metal. En la Figura G-8 se detalla la instalación. (a) (b) Figura G-8: Instalación Experimental, zona piscina 1 (zona desv́ıo aluvional). (a) Vista desde ribera derecha, (b) Vista ribera derecha, en rojo zona donde se ubica la presa de retención existente actualmente en la quebrada la cual se mantiene o presa de apertura vertical según la alternativa a estudiar, en azul piscina 1 y en verde zona del vertedero lateral. Zona retención material no desviado Aguas abajo de la piscina 1, está la piscina 2 con una pendiente longitudinal de 5.2◦ con un largo de 1.81 m y un ancho de 0.56 m en su base, la sección es trapecial con un talud en la ribera derecha de 1:2 (V:H) y en la ribera izquierda de 1:2.1 (V:H). Los materiales de construcción son los mismos que en la piscina 1. La zona de la piscina 2 se mantiene tal cual se encuentra actualmente en la quebrada. En la Figura G-9 se detalla la instalación. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-11 Figura G-9: Instalación Experimental, vista frontal piscina 2 (zona retención material no desviado), en rojo zona donde termina la piscina 1 y en azul donde se ubica la presa de retención presente actualmente en la quebrada. Zona retención material desviado Una vez desviado el flujo por el vertedero lateral, el flujo es recibido por la hondonada que tiene una pendiente longitudinal de 2.4 ◦ un largo aproximado de 4 m y ancho variable. El talud de la ribera norte de la hondonada (colinda con la ribera izquierda de las piscinas) es de 1:2.5 (V:H). El material de construcción utilizado es hormigón. En la Figura G-10 se detalla la zona de la hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-12 Figura G-10: Instalación Experimental, vista frontal hondonada (zona retención material desviado). En rojo, vertedero lateral que permite desviar el flujo hacia la hondonada indicada en azul. G.3.2. Instrumentación Para medir las distintas variables de interés, se utilizarán cámaras fotográficas para realizar videos y tomar fotograf́ıas, sensores ultrasónicos de nivel que permiten medir la altura del flujo en distintios puntos de interés y smartphones que permiten grabar el flujo en cámara lenta. La disposición de cada uno de los dispositivos mencionados, se muestran en la siguiente figura: G.3.2.1 Camáras fotográficas Las cámaras fotográficas utilizadas son Canon ESO Rebel T3i. Sony Reflex α 57. GoPro Hero 4. iphone 6 (cámara lenta). Su uso comenzó a partir del ensayo n◦9. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-13 G.3.2.2 Sensores ultrasónicos Se utilizan sensores ultrasónicos Microsonic ZWS-15/CI/QS junto al concentrador de señal Sound- Pipe, con salida analógica de 4-20 mA. Estos sensores emiten una señal ultrasónica para medir la distancia existente entre el sensor y una superficie cualquiera donde rebota la señal, en éste caso, la superficie libre del flujo. El rango de medición de los sensores se encuentra entre 20 y 150 mm. La salida analógica de 4-20 mA emitida por el sensor es transformada a señal digital mediante un sistema de adquisición de datos realizado internamente en el INH utilizando la plataforma arduino. La figura I-11 muestra el sensor ultrásonico utilizado. Figura G-11: a) Sensor ultrasónico. b) Señal ultrasónica emitida por el sensor. G.3.3. Técnicas de Medición de Velocidad G.3.3.1 Velocidad por PIV Cuando una fotograf́ıa digital monocromática es capturada se guarda una matriz con la intensidad registrada para cada pixel de la imagen, la matriz de intensidad tiene un tamaño de [axb] pixel igual al tamaño de la fotograf́ıa. Las fotograf́ıas digitales a color capturan tres matrices de intensidad de color. El proceso del método consiste en comparar dos imágenes digitales capturadas en instantes de tiem- po diferentes es decir separadas por un ∆t. Comprando las imágenes tomadas en el t1 y en t2 se miden los desplazamientos y se calculan las velocidades entre ellas. Para los ensayos realizados en el presente informe se grabo en dos lugares diferentes para obtener su velocidad. En la Figura I-12 se detalla la ubicación de las cámaras en el canal. En Azul la GoPro que graba a 250 fps y en rojo el Iphone 5s que graba a 120 fps. Las ventajas de esta metodoloǵıa es que se puede obtener la variación temporal de la velocidad en cualquier punto del escurrimiento superficial y con ello ver la dinámica del flujo y poder en su defecto calcular esfuerzos. Su desventaja es la implementación y postProceso de las fotos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-14 Figura G-12: Ubicación de las cámaras en el Canal. En circulo amarillo se destaca el punto donde se extrajeron las velocidades de los v́ıdeos G.4. Metodoloǵıa A continuación se detalla la metodoloǵıa utilizadas en los ensayos y para medir la velocidad de la superficie libre (sensores ultrasonido y fotograf́ıa). G.4.1. Metodoloǵıa Ensayos La metodoloǵıa utilizada en cada ensayo de medición es la siguiente: Preparación de la mezcla agua bentonita a la concentración peso/peso deseada. Esta mezcla se realiza dentro de un estanque plástico de 1000 litros por una bomba centrifuga sumergible que recircula el agua dentro del estanque. El proceso de mezclado se facilita al pasar el agua con la bentonita por los álaves o aspas de la bomba y finaliza cuando los grumos se han eliminado por completo. Preparación de 200 kilos de sedimentos considerando la curva granulométrica encontrada en terreno a escala 1:80. Instalación de los instrumentos de medición, cámaras y sensores ultrasónicos. Carga de la mezcla agua bentonita en el estanque de carga. Posteriormente se agrega la arena y se mezcla para que ésta quede suspendida para finalmente agregar las gravas (las cuales por su tamaña no es posible mantener suspendidas). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-15 Se libera un peso de 50 kilos, que tracciona la compuerta y la abre instantáneamente 15 cm. Esta altura se fija para que la salida del flujo sea más controlada y no se libere todo de golpe, disminuyendo aśı la velocidad del frente. Retiro por separado del material depositado en la Hondonada piscina 1, piscina 2 y lo que pasa más allá de la piscina 2. Este material es lavado para retirar la bentonita, puesto a secar y posteriormente pesado, para aśı poder determinar el porcentaje de material desviado y retenido por cada una de las piscinas. Análisis granulométrico del material depositado en cada una de las zonas mencionadas ante- riormente. Análisis de los datos obtenido por los sensores ultrasónicos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB G-16 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO H: Construcción Modelo F́ısico escala 1 a 50 Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 H. Construcción Modelo F́ısico escala 1 a 50 El siguiente Anexo presenta los aspectos relevantes de la construcción del modelo f́ısico a escala reducida 1 a 50, en base al plano de detalle adjunto en Anexo Planos, donde se indican las partidas de obra gruesa, canal aluvional, estructura metálica de soporte. Asimismo, se indica de manera esquemática la materialidad y cubicación de la obra, por partida. H.1. Proyecto de Construcción del modelo a escala reducida En el proyecto de construcción del modelo f́ısico a escala reducida 1 a 50, se considera como in- formación base, el levantamiento topográfico realizado por el INH. Además, en la actualidad, la hondonada solo cubre hasta la piscina de retención no2, por lo tanto, el plano final de construcción del modelo, considera la ampliación de la hondonada hacia aguas arriba de tal manera que incluya la piscina de decantación no1, lugar donde serán instaladas las obras de desv́ıo del flujo aluvional. Por otro lado, se incluye una modificación de la topograf́ıa actual, en la zona entre las piscinas 1 y 2, eliminando la presa de retención que las divide, y reemplazándola por una presa de apertura vertical junto a un vertedero lateral que permitirán en conjunto desviar el flujo detŕıtico hacia la hondonada. Estas consideraciones se presentan esquemáticamente en la figura H-1. Complementariamente el listado de materiales se adjunta en la tabla H-1. En dicha figura se marca en color celeste el canal aluvional construido en madera, los muros exteriores de ladrillo en color verde, muros interiores de construcción del modelo en amarillo, topograf́ıa de las piscinas decantadoras y hondonada a escala 1 a 50 en color café, y por último las v́ıas de acceso y circulación del modelo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-2 Figura H-1: Vista general de los materiales incluidos en modelo f́ısico. Tabla H-1: Listado de principales materiales utilizados en la construcción del modelo Materiales de construcción Cantidad Terciado estructural 18 MM x 1.2 x 2.4 MT (unidad) 4 Terciado estructural 15 MM x 1.22 x 2.44 MT (unidad) 20 Perfil tubular cuadrado 100 X 100 X 3.0 MM (unidad) 4 Perfil tubular cuadrado 75 X 75 X 3.0 MM (unidad) 13 Perfil rectangular cerrado 50 X 30 X 2.0 MM (unidad) 18 Ladrillo Fiscal (unidad) 6,000 Arena Lepanto (metros cúbicos) 10 Saco de cemento de 25 kilogramos(unidad) 400 H.2. Informe de Avance de la Construcción H.2.1. Obra gruesa En la fase de construcción de la obra gruesa del modelo f́ısico de la Quebrada Macul, en escala 1 a 50, se realizan una serie de actividades que son: construcción de dados para nivelación; trazado del proyecto en zona de emplazamiento; construcción de muros en ladrillo; construcción de pilares; acondicionamiento mediante limpieza y tamizado del material de relleno del modelo; construcción de MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-3 terrazas mediante radier de hormigón (ver Figura H-2a); corte y emplazamiento de perfiles metálicos que definen la superficie topográfica del modelo f́ısico (ver Figura H-2b); relleno con material (ver Figura H-2c) y construcción de proyecto utilizando hormigón (ver Figura H-2d). Una secuencia constructiva se puede observar en las Figuras H-3 y H-4. (a) Losa zona hondonada. (b) Instalación perfiles. (c) relleno con material. (d) Enchapado hormigón. Figura H-2: Detalle de algunas caracteŕısticas de la construcción de la obra gruesa. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-4 (a) Replanteo del proyecto de construcción. (b) Acondicionamiento de la zona de proyecto. (c) inicio construcción muros en ladrillo. (d) Construcción muro y relleno de pilares. (e) Construcción muro y relleno de pilares. (f) Relleno de la obra con material grueso. Figura H-3: Secuencia fotográfica de construcción de la obra gruesa del modelo f́ısico. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-5 (a) Termino relleno material grueso. (b) Comienzo confección terrazas. (c) Construcción terrazas. (d) Inicio Construcción muro interiores y termino de terrazas. (e) Termino loza sector hondonada y instalación perfiles. (f) Relleno de perfiles y termino de la obra gruesa. Figura H-4: Secuencia fotográfica de construcción de la obra gruesa del modelo f́ısico. H.2.2. Canal Aluvional y Estructura Metálica En el proyecto de construcción del modelo f́ısico a escala reducida 1 a 50, se considera reproducir el flujo aluvional con un canal idéntico al desarrollado en la Etapa 2A y 2B del presente estudio. El canal tiene pendiente de 30o de inclinación, con un largo aproximado de 8 metros, ancho basal MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-6 de 0.4 metros, y contiene rocas adosadas al fondo y paredes laterales, las cuales tienen un diámetro caracteŕıstico cercano a 2.5 cent́ımetros. La estructura metálica que soporta el canal aluvional esta compuesta de perfiles metálicos de 100 x 100 mm, 75 x 75 mm, y 30 x 50 mm, de espesores entre 2 y 4 mm. En la figura H-5d se aprecia el canal aluvional construido. (a) Instalación estructura, vista lateral. (b) Instalación estructura, vista desde abajo. (c) Construcción estanque superior. (d) Construcción canal aluvional. Figura H-5: Detalle de algunas caracteŕısticas de la construcción del canal aluvional. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB H-7 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO I: Instalación, Metodoloǵıa y Ensayos Modelo F́ısico escala 1:50 Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 I. Instalación, Metodoloǵıa y Ensayos Modelo F́ısico escala 1:50 I.1. Instalación Experimental La instalación experimental (ver figura I-1 y I-2), está formada por el sistema de preparación del material detŕıtico, un estanque de mezcla, una compuerta de apertura rápida, un canal de generación, decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5, obra de desv́ıo, Hondonada, estanque receptor y sistemas de medición. Cada una de estas partes se detallan a continuación: Figura I-1: Vista frontal instalación experimental. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-2 Camara Sensor 1 2 3 4 5 6 8 9 2 4 5 6 7 (a) (b) Figura I-2: (a)Vista lateral. (b) Vista en Planta. (1): Sistema de preparación del material detŕıtico. (2): Estanque de mezcla. (3): Compuerta de apertura rápida. (4): Canal de generación. (5): Decantadores n◦1, 2, 3, 4 y 5. (6): Obra de desv́ıo. (7): Hondonada. (8): estanque receptor. (9): Sistemas de medición. I.1.1. Sistema de preparación del material detŕıtico Este sistema está formado por un estanque de 1000 litros donde es preparado el fluido intersticial del flujo detŕıtico (agua - bentonita a la concentración en peso deseada, Cp =7, 8 y 10 %), una bomba sumergible que permite mezcla el agua con la bentonita y una betonera donde se mezcla el fluido intersticial con los sedimentos (gravas y arenas) generando aśı la mezcla detŕıtica o aluvional (ver figura I-3). Finalmente, se cuenta con un sistema de izaje para transportar esta mezcla a ∼ 8m de altura y verterla en el estanque de mezcla. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-3 Figura I-3: Sistema de preparación del material detŕıtico. (a) Estanque de 1000 lt y bomba de recirculación para mezcla de agua-bentonita. (b) betonera para mezcla de gravas y arenas con el fluido intersticial creado en el estanque de la figura (a). I.1.2. Estanque de mezcla El estanque de mezcla (ver figura I-4)es un estanque de madera con fondo inclinado en 30◦ y 40 cm de ancho capaz de almacenar hasta 0.8 m3 de material. Al final del estanque de mezcla, se encuentra una compuerta de apertura rápida. La apertura de la compuerta es de solo 15 cm para controlar la velocidad del pulso aluvional. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-4 Estanque de Mezcla Sistema apertura compuerta rápida Compuerta apertura rápida Figura I-4: Estanque de mezcla, compuerta y sistema apertura de compuerta rápida. I.1.3. Canal de generación El canal de generación (ver figura I-5) es donde se desarrolla el pulso aluvional liberado desde el estanque de mezcla. Posee un largo total de 8.2 m con una pendiente de 30circ en sus primeros 7 m y una transición de 30◦ a 4◦ en los ultimos 1.2 m. Posee un ancho 40 cm y paredes laterales de 40 cm. Tanto su pendiente como el largo del canal fueron definidas en etapas anteriores y son aquellas que permiten un flujo aluvional desarrollado, es decir, que los clastos de mayor tamaño se ubiquen en el frente del aluvión mientras que las sedimentos de menor tamaño formen el cuerpo y cola del aluvión. Por otro lado, el ancho del canal de 40 cm, corresponde a los 20 m de ancho promedio que tiene el cauce de la quebrada de Macul en prototipo en los primeros 500 m aguas arriba del decantador ncirc1. Por último, tanto el fondo como las paredes del canal tiene incrustadas part́ıculas de diámetro asociadas al d90 de la curva granulométrica con el fin de disminuir la velocidad del flujo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-5 Figura I-5: Canal de generación flujo aluvional I.1.4. Decantadores n◦1, 2, 3, 4, 5 y Hondonada El sistema Decantadores y Hondonada (ver figura I-6) forman parte del sistema de control aluvional de la Quebrada de Macul y en modelo son construidos en hormigón a escala reducida 1:50. Es importante destacar que si bien son 7 decantadores los construidos actualmente en la Quebrada, solo se representa en modelo hasta el decantador n◦5. Los decantadores n◦2, 3, 4, 5, 6 y 7 tienen como objetivo retener el material sólido no desviado por la obra de desv́ıo, mientras que la Hondonada tiene como función retener el material sólido desviado. El talud de la ribera norte de la hondonada, colinda con la ribera sur de los decantadores, y posee una pendiente de 1:2.5 (V:H). Entre el decantador n◦1 y 2 se encuentra ubicada la obra de desv́ıo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-6 Figura I-6: Decantadores 1, 2, 3, 4, 5 y Hondonada I.1.5. Obra de desv́ıo La obra de desv́ıo construida en la instalación experimental escala reducida 1:50 es la Alternativa 4 ensayada en la maqueta escala 1:80. En los ensayos realizados en la maqueta para ésta Alternativa, se logró desviar entre un 85 y 87 % del flujo, por lo tanto, para acercarse al 80 % del material desviado se decide incrementar de 5 a 6 espaciamientos en la zona de la presa de apertura vertical (ver Capitulo 2). Esta obra de desv́ıo es construida en el actual decantador n◦1, y sus dimensiones principales son indicadas en la siguiente figura y tabla I-1. Es importante indicar, que la altura de la obra de desv́ıo fue definida en 20 cm. Esto es 7,8 cm bajo el coronamiento de la ribera norte del decantador 1 y 3,3 cm bajo el coronamiento de la ribera sur del decantador 1 donde empalma con el vertedero lateral. De esta manera, si la obra se ve sobrepasada, existe una revancha de alrededor de 4 m en prototipo para que el flujo no desborde hacia las casas ubicadas al norte de los decantadores. Este es un supuesto que deberá ser corroborado durante los ensayos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-7 a Le= 5 a Q Q1 Q 2 R h L v Figura I-7: (a) Vista frontal instalación experimental. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-8 Tabla I-1: Dimensiones principales obra de desv́ıo. L es la longitud total de la presa de apertura vertical, a la apertura entre pilares, Le el largo efectivo de apertura de la presa, h la altura de la obra de desv́ıo, φ el diámetro de los pilares, Lv el largo del vertedero lateral y R el radio de curvatura, Q = Q1 +Q2 es simplemente esquemático para indicar el sentido del flujo. L [m] 0,31 N◦ Pilares 5 φ [m] 0,254 a [m] 0,03 Le [m] 0,18 h [m] 0,2 Lv [m] 1,30 R [m] 5.7 I.1.6. Estanque receptor Aguas abajo del decantador n◦5, se ubica un estanque de hormigón (I-8) que sirve para recibir el material aluvional descargado y el agua utilizada duranta la limpieza de la instalación experimental posterior a cada ensayo. Este estanque tiene dimensiones de 1x3x0.5 m (BxLxH). H B L Figura I-8: Estanque receptor. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-9 I.1.7. Sistema de Medición Para medir las distintas variables de interés, se utilizarán cámaras fotográficas y smartphones para realizar fotograf́ıas y v́ıdeos hasta 120 frame por segundo (fps). También se instala un sensores ultrasónico de nivel que permiten medir la altura del flujo en un puntos de interés. La disposición de cada uno de los dispositivos mencionados, se muestran en la siguiente figura: CanalEstanque de Mezcla Hondonada Camara3 Camara 2 A A' Ca m ar a 4 (a) α θ 8.2 m 2 m Estanque de Mezcla Compuerta Camara 1 m Sensor 1α (b) Figura I-9: Ubicación de las cámaras y sensor. (a) Vista en planta. (b) Corte longitudinal AA. I.1.7.1 Camáras fotográficas Las cámaras fotográficas mostradas y ubicadas según la Figura I-9 son las siguientes: Cámara 1: smartphone Sony Xperia XZ1 (120 fps, Figura I-10d). Cámara 2: Canon ESO Rebel T3i (30 fps, Figura I-10a). Cámara 3: Sony Reflex α 57 (30 fps, Figura I-10b). Cámara 4: Sony RX0 (120 fps, Figura I-10c). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-10 (a) (b) (c) (d) Figura I-10: Cámaras utilizadas en los ensayos (a) Canon ESO Rebel T3i , (b)Sony Reflex α 57, (c) Sony RX0, (d) Sony Xperia XZ1. I.1.7.2 Sensores ultrasónicos Se utilizan sensores ultrasónicos Microsonic ZWS-15/CI/QS junto al concentrador de señal Sound- Pipe, con salida analógica de 4-20 mA. Estos sensores emiten una señal ultrasónica para medir la distancia existente entre el sensor y una superficie cualquiera donde rebota la señal, en éste caso, la superficie libre del flujo. El rango de medición de los sensores se encuentra entre 20 y 150 mm. La salida analógica de 4-20 mA emitida por el sensor es transformada a señal digital mediante un sistema de adquisición de datos realizado internamente en el INH utilizando la plataforma arduino. La figura I-11 muestra el sensor ultrásonico utilizado. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-11 Figura I-11: a) Sensor ultrasónico. b) Señal ultrasónica emitida por el sensor. I.1.8. Técnicas de Medición de Velocidad Cuando una fotograf́ıa digital monocromática es capturada se guarda una matriz con la intensidad registrada para cada pixel de la imagen, la matriz de intensidad tiene un tamaño de [axb] pixel igual al tamaño de la fotograf́ıa. Las fotograf́ıas digitales a color capturan tres matrices de intensidad de color. El proceso del método consiste en comparar dos imágenes digitales capturadas en instantes de tiem- po diferentes es decir separadas por un ∆t. Comprando las imágenes tomadas en el t1 y en t2 se miden los desplazamientos y se calculan las velocidades entre ellas. Para los ensayos realizados en el presente informe se grabo en la entrada al decantador 1 a 3 metros de altura con respecto piso del decantador 1. En la Figura I-12 se detalla la ubicación de la cámara. Las ventajas de esta metodoloǵıa es que se puede obtener la variación temporal de la velocidad en cualquier punto del escurrimiento superficial y con ello ver la dinámica del flujo y poder en su defecto calcular esfuerzos. Su desventaja es la implementación y postProceso de las fotos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-12 Ubicación Cámara (a) (b) Figura I-12: Ubicación de las cámaras en el Canal. En circulo negro se destaca el punto donde se extrae las velocidades de los v́ıdeos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-13 I.2. Puesta en Marcha Para realizar la puesta en marcha, y producto que la finalidad principal de esta etapa es detectar posibles fallas y filtraciones se opto por ocupar sedimento ya usado en los ensayos previos de las maquetas y realizar la mezcla con agua. La mezcla de sedimentos con agua ayuda a detectar fácil- mente las posibles filtraciones en el modelo. El volumen total que se cargo en el estanque fue de 0.6 m3. El material se cargo sin problemas, pero se detecto que el sellado de la compuerta fallo, provocando que el agua escurra por el canal, antes de abrir la compuerta, como se señala en la Figura I-13 . Figura I-13: Vista desde arriba antes de levantar la compuerta. Se observa la presencia de agua en los decantadores, producto de la filtración en el sellado de la compuerta. Una vez cargado todo el material se levanta la compuerta y este sale sin ningún problema, logran- do avanzar por los decantadores y parte de la hondonada. En la Figura I-14se observar algunos desbordes en los decantadores 2 y 3. Por otra parte en la Figura I-15 se ve el deposito final en el decantador 1 y el material que es desviado a la hondonada. En el Anexo digital se encuentra el video tomado desde arriba de la puesta en marcha. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-14 Figura I-14: Vista desde arriba después de levantar la compuerta. (a) (b) Figura I-15: Estado final de la puesta en marcha. (a) Vista al decantador 1. (b) Vista al desv́ıo a la hondonada. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-15 Al terminar el ensayo de la puesta en marcha se verificó que todo funcionará correctamente, en- contrando una falla en el sistema para izaje la compuerta. El brazo que realiza el movimiento de izaje se doblo en el punto donde pivotea. Este fallo se debió a que brazo estaba soldado justo en ese punto. En la Figura I-16 se muestra el sector donde fallo el brazo. Para los próximos ensayos se reemplaza dicho brazo por un fierro solido y sin soldaduras. Figura I-16: Fallo en el sistema de izaje. En circulo rojo se señala el sector donde el brazo fallo. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-16 I.3. Verificación y Validez Volumen Descargado Del modelo 0 descrito en la Etapa 2A del estudio, se concluye que no es posible desarrollar el frente aluvional generando un caudal constante, sino que, debe hacerse mediante la descarga de un volumen predefinido que es liberado con la apertura rápida de una compuerta. Por lo tanto, es necesario definir el volumen descargado en el modelo f́ısico escala 1:50 tal que la velocidad del flujo a la entrada del decantador 1 sea del orden de 15 a 30 km/hr escaladas. Para ello, se debe ensayar la descarga de distintos volúmenes para ajustar la velocidad del flujo a la entrada del decantador 1 y el verificar que el alcance del aluvión sea capaz de llegar a la obra de desv́ıo. El modelo f́ısico a escala geométrica 1:50 es 1.6 veces más grande que la maqueta escala geométrica 1:80. Lo anterior indica que el volumen descargado a escala 1:80, debe ser 4.1 veces mayor en escala 1:50 para que sean comparables. Los ensayos realizados correspondientes a la maqueta 1:80 fueron realizados con una volumen de mezcla sólidos-ĺıquido de 0.2 m3. Esto indica que, en modelo f́ısico escala 1:50, debe ensayarse un flujo detŕıtico de 0.8 m3. Este valor se debe corroborar con un ensayo y verificar su velocidad y alcance del aluvión, por lo cual su magnitud quedará definida por aquel volumen que representa de mejor manera las velocidades y alcance del run-out aguas arriba de la obra de desv́ıo. La importancia de verificar el volumen descargado de mezcla sólidos-ĺıquido, permitirá no solo sólo evaluar la fuerza de impacto, sino, la capacidad de la obra de desviar los clastos de mayores tamaños y más destructivos. La descarga de un volumen de ≈ 0.4-0.8 m3, si bien genera las condiciones para evaluar la obra de desv́ıo, no permite evaluar el funcionamiento completo del sistema de decantadores y hondonada ya que el volumen descargado es muy pequeño en comparación con aquel estimado en el aluvión de 1993 (≈7 m3 a escala 1:50). Una solución a éste problema se plantea a continuación en la Etapa 5. A continuación se detallan los ensayos de descarga,con sus respectivos inconvenientes y resultados. Cabe destacar que los ensayos de volumen descargado se realizan sin la obra de desv́ıo. I.3.1. Ensayo Volumen 0.6 m3 Se comienza con un volumen de descarga de 0.6 m3. Se decide partir con una mezcla de sedimentos y bentonita. Al momento de subir la mezcla y llevar cerca del 80 % del material cargado, la compuerta cedió liberando la mezcla a gran velocidad. Al liberarse el material de forma repentina, no existen filmaciones del ensayo y solo es posible mostrar imágenes del estado final. En la Figura I-17 se observa el antes y el después. Mientras que en la Figura I-18 se muestran imágenes de acercamiento del estado final. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-17 (a) (b) Figura I-17: (a) Estado Inicial. (b) Estado Final ensayo con un volumen total de 0.6 m3. (a) (b) Figura I-18: (a) Estado Final, vista desde arriba. (b) Se muestra donde quedo la paleta que se usa para mantener la mezcla en suspensión en el estanque de mezcla. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-18 Debido a los problemas de la compuerta y también por tema de seguridad, se decide ensayar con un volumen de 0.4 m3. I.3.2. Ensayo Volumen 0.4 m3 La mezcla ensayada tiene una concentración de bentonita al 8 % peso/peso. La preparación del en- sayo transcurre sin contratiempos, logrando instalar las cámaras para poder evaluar las velocidades del flujo. En el estanque de mezcla, primero se ingresa la bentonita, después se espolvorea la arena, para finalmente ingresar las gravas. En la Figura I-19 se muestra una secuencia del video obtenido del Sony XZ1. Finalmente en al Figura I-20 se observa el estado final del ensayo. (a) (b) Figura I-19: Secuencia del pulso Aluvional a la entrada del decantador 1. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-19 Figura I-20: Estado Final del ensayo. Las velocidades obtenidas en el frente del aluvión oscilan entre los 6 y 3 m/s, con una velocidad promedio de aproximadamente 3.65 m/s. En la Figura I-21 se muestra el gráfico de velocidades en el centro de la entrada al decantador 1. Figura I-21: Velocidad en la entrada del decantador 1, en los primeros 0.7 segundos del pulso. En azul las velocidades sin filtro y en rojo la velocidad aplicando una media móvil Las velocidades obtenidas en el ensayo con volumen 0.4 m3 son bastante altas ya que según la literatura se deben obtener velocidades de 8.3 m/s en prototipo lo que estima velocidades del orden MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-20 de 1.5 a 2 m/s en modelo f́ısico escala 1:50. En base a estos resultados se opta por no realizar los ensayos de 0.8 m3 producto que ya las velocidades están sobre lo deseado y solo se obtendŕıan velocidades mayores si se libera 0.8 m3 de material. Se observa que al momento de liberar el material este se encuentra sedimentado en el estanque, no obteniendo una mezcla homogénea. Dicha mezcla tiene como resultado 2 tipos de fluidos, el primero compuesto por un alto contenido de mezcla agua bentonita y el otro fluido con alta cantidad de gravas, arenas. Como resultado de esta separación en el estanque se tiene que primero se libera de forma lenta el fluido con alto contenido de sedimentos, siendo sobrepasado segundos después por una mezcla compuesta principalmente por agua y bentonita. Este efecto no permite que el pulso aluvional se desarrolle por completo. Como consecuencia de esto se plantea modificar la metodoloǵıa de mezcla para alcanzar un mezcla lo mas homogénea posible. I.3.3. Ensayo Volumen 0.4 m3, Segundo intento. En base al ensayo del volumen 0.4 m3, se opta por cambiar la metodoloǵıa para prepara la mezcla, optando por mezclar en la betonera el fluido de bentonita con las arenas en proporciones iguales, creando un nuevo fluido mas homogéneo Se sube esta nueva mezcla y se agrega al final las gravas. Los resultados se muestran las siguientes Figuras. (a) (b) Figura I-22: Secuencia del pulso Aluvional a la entrada del decantador 1. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-21 Figura I-23: Estado Final del ensayo. Las velocidades obtenidas en el frente del aluvión oscilan entre los 6 y 2 m/s, con una velocidad promedio de aproximadamente 2.78 m/s. En la Figura I-24 se muestra el gráfico de velocidades en el centro de la entrada al decantador 1. Se logra bajar la velocidad, pero aún lejano a los valores que se esperan, producto que no se puede seguir bajando la velocidad, se decide ensayar con un volumen de 0.4 m3 y con la metodoloǵıa de mezcla realizada en este ensayo. A continuación se detalla la metodoloǵıa que se empleara en los ensayos finales y el set de ensayos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-22 Figura I-24: Velocidad en la entrada del decantador 1, en los primeros 0.7 segundos del pulso. En azul las velocidades sin filtro y en rojo la velocidad aplicando una media móvil MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-23 I.4. Metodoloǵıa Experimental y Set de Ensayos En base a los resultados obtenidos en el capitulo de Verificación y Validez del Volumen descargado, se realiza la metodoloǵıa explicada a continuación. I.4.1. Metodoloǵıa Ensayos Modelo F́ısico 1:50 La metodoloǵıa utilizada en cada ensayo de medición es la siguiente: Preparación de la mezcla agua bentonita a la concentración peso/peso deseada. Esta mezcla se realiza dentro de un estanque plástico de 1000 litros por una bomba centrifuga sumergible que recircula el agua dentro del estanque. El proceso de mezclado se facilita al pasar el agua con la bentonita por los álaves o aspas de la bomba y finaliza cuando los grumos se han eliminado por completo. Dicha mezcla se prepara 1 d́ıa antes del respectivo ensayo, producto que la bentonita sufre una maduración, aumentando su viscosidad. Preparación de los kilos de sedimentos dependiendo del ensayo considerando la curva granu- lométrica encontrada en terreno a escala 1:50. Se pesan los baldes necesarios según tipo de ensayo, de mezcla agua bentonita. Cabe destacar que el volumen total de mezcla fluido más sedimentos es constante e igual a 0.4 m3, variando entre ensayo la concentración volumétrica de sedimentos. Se mezcla en una betonera el fluido de bentonita con los sedimentos menores a 2 cm (rango de arenas), para después vaciarla en baldes de 20 litros, esto con el fin de obtener un nueva mezcla lo más homogénea posible. Se suben en baldes las mezclas obtenidas de la betonera para finalmente subir los sedimentos que no se mezclaron (las gravas). Las gravas sedimentan de forma rápida, por lo que se deben ingresan al final en el estanque. Instalación de los instrumentos de medición, cámaras y sensores ultrasónicos. Esta tarea se realiza en simultaneo con la subida de los baldes al estanque. Una vez subido y cargado todos los baldes, los instrumentos empiezan a grabar. Se libera un peso de 50 kilos, que tracciona la compuerta y la abre instantáneamente 15 cm. Esta altura se fija para que la salida del flujo sea más controlada y no se libere todo de golpe, disminuyendo aśı la velocidad del frente. Una vez que el flujo se detiene, se toman fotograf́ıas del deposito final al material que quedo en el decantandor 1, al que fue desviado y al que paso a través de la obra de desv́ıo, con el objetivo de caracterizar de forma visual la granulometŕıa por sector. Retiro por separado del material depositado en la Hondonada decantador 1, y lo que pasa más allá de la obra de desv́ıo. Este material es lavado para retirar la bentonita, puesto a secar y posteriormente pesado, para aśı poder determinar el porcentaje de material desviado y retenido. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-24 Análisis granulométrico del material depositado en cada una de las zonas mencionadas ante- riormente. Análisis de los datos obtenido por los sensores ultrasónicos y cámaras. I.4.2. Set de Ensayos En los ensayos se variará la concentración en peso de bentonita (Cp) y la concentración volumétrica de sólidos (Cv), manteniendo constante el volumen inicial y curva granulométrica. Tabla I-2: Matriz de ensayos N Ensayo Cp [ %] Cv [ %] 1 7 38 2 8 38 3 10 38 4 7 45 5 8 45 6 10 45 7 7 50 8 8 50 9 10 50 I.5. Ensayos, Modelo F́ısico 1:50 Las siguientes figuras, muestran el estado final de los ensayos realizados hasta la fecha indicados en la tabla I-3. En el anexo digital se muestran los videos fotos del estado final de cada ensayo. Tabla I-3: Ensayos realizados. La nomenclatura ECp7Cv38, significa ensayo a concentración en peso de agua y bentonita del 7 % y concentración volumétrica de sólidos en la mezcla sólidos-ĺıquido del 38 %. Figura Ensayo I-25 ECp7Cv38 I-26 ECp8Cv38 I-27 ECp10Cv38 I-28 ECp7Cv45 I-29 ECp8Cv45 I-30 ECp10Cv45 I-31 ECp7Cv50 I-32 ECp8Cv50 I-33 ECp10Cv50 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-25 I.5.1. Ensayo Cp7Cv38 Figura I-25: Estado final ensayo Cp7Cv38. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-26 I.5.2. Ensayo Cp8Cv38 Figura I-26: Estado final ensayo Cp8Cv38. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-27 I.5.3. Ensayo Cp10Cv38 Figura I-27: Estado final ensayo Cp10Cv38. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-28 I.5.4. Ensayo Cp7Cv45 Figura I-28: Estado final ensayo Cp7Cv45. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-29 I.5.5. Ensayo Cp8Cv45 Figura I-29: Estado final ensayo Cp8Cv45. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-30 I.5.6. Ensayo Cp10Cv45 Figura I-30: Estado final ensayo Cp10Cv45. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-31 I.5.7. Ensayo Cp7Cv50 Figura I-31: Estado final ensayo Cp7Cv50. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-32 I.5.8. Ensayo Cp8Cv50 Figura I-32: Estado final ensayo Cp8Cv50. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-33 I.5.9. Ensayo Cp10Cv50 Figura I-33: Estado final ensayo Cp10Cv50. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB I-34 DIRECCIÓN OBRAS HIDRÁULICAS MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS ANEXO J: Memoria de Calculo Peñaflor, Región Metropolitana Noviembre 2018 J. Diseño Hidráulico de Obra de Desv́ıo La obra de desv́ıo diseñada y ensayada en laboratorio, tiene una configuración especial y fuera de lo común en lo que a obras de control aluvional se refiere. Esta considera una obra curva formada por una combinación de muros y pilares la cual dividiremos en 3 partes: El primer tramo es un muro impermeable de 10 m de altura. El segundo tramo, es una combinación de un muro vertical de 2.25 m de altura sobre el cual sobresalen pilares de 8 m de altura. La zona central está formada por pilares hincados directamente en la fundación (No existe el muro de 2.25 m de altura). El último tramo, es identico al segundo, hasta su inserción con el vertedero en dirección a la hondonada. Esta estructura puede verse sometida a fenómenos de socavación ya sea durante eventos aluvionales o crecidas ĺıquidas. A conocimiento de los autores de este estudio, no se encontraron formulaciones emṕıricas para la socavación sobre estructuras hidráulicas (pilas de puentes, al pie de presas, etc.) producidas por un flujo detŕıtico. Por dicho motivo, se utilizarán las formulaciones existentes y propuestas en el manual de carretera MOP 2017 para agua clara, las cuales fueron estudiadas para flujos subcŕıticos en lechos de arena. Además se incluye la formulación de Jain y Fisher, la cual fue realizada para flujos supercŕıticos. El hecho de que todas estas formulaciones fueran realizadas para agua clara y lechos de arena, implica que los resultados aqúı expuestos tienen un grado de incertidumbre que debemos considerar. En definitiva, se calculará la socavación local en los pilares centrales y por curvatura a lo largo de la curva. Para ello, es necesario conocer la velocidad y altura de escurrimiento del flujo. La altura de escurrimiento máxima registrada en el frente del aluvión durante los ensayos de pulsos aluvionales realizados en el modelo f́ısico escala 1:50, fluctúa entre 3 y 4.5 m en prototipo. Esto tiene sentido, dado que la altura de escurrimiento del frente en un flujo de régimen inercial con granu- lometŕıa gruesa estaŕıa dominada por las part́ıculas de mayor tamaño. Sin embargo, durante estos ensayos la velocidad de escurrimiento medida en laboratorio es alrededor de 21 m/s en prototipo, lo cual a juicio de los autores de este estudio estaŕıa sobrestimada. Considerando el estudio de GEOTEST (2018), las velocidades máximas del flujo a la entrada del decantador n◦1 para un aluvión de periodo de retorno geológico de 100 años, están alrededor de los 8 a 9 m/s. El término periodo de retorno geológico, no se refiere al caudal de periodo de retorno de 100 años que comúnmente conocemos, sino, al periodo de retorno asociado al volumen de sedimentos que podŕıa ser transportado por el aluvión. En el caso de los ensayos realizados sólo con la mezcla agua-bentonita, se registraron para el caudal de la Quebrada de Macul velocidades entre 7 a 10 m/s, mientras que para el caudal de 100 años de periodo de retorno, se registraron velocidades entre 10 y 14 m/s. Sin embargo, en estos casos y MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-2 dada la ausencia de sedimentos, las alturas de escurrimiento están subestimadas alcanzando solo 50 cm en prototipo (1 cm en modelo). Finalmente, recordemos que el aluvión de 1993 se estimaron alturas y velocidades máximas del orden de 3 m y 8 m/s respectivamente. Por lo tanto, considerando los antecedentes anteriores, se decide diseñar la obra de desv́ıo aluvional con los siguientes valores de altura y velocidad: Tabla J-1: Parámetros de diseño. H altura del flujo, U velocidad del flujo, r radio de curvatura según Figura J-1, B ancho del flujo según Figura J-1 y a diámetro de los pilares. Parámetros de Diseño H (m) 4.5 U (m/s) 10 r (m) 147.125 B (m) 52.75 a (m) 1.3 J.1. Socavación por Curvatura El manual de carretera MOP(2017), establece que la socavación generada en curvas de un escurri- miento superficial, puede ser calculada según la relación emṕırica de Thorne: ys h = 1.07− log10 ( R B − 2 ) ; 2 < R/B < 22 (J-1) donde Ys es la socavación en la curva en metros, h la altura de escurrimiento en metros, R el radio de curvatura en metros y B el ancho del cauce en metros. Considerando la Figura J-1 extraida del manual de carreteras MOP (2017), r toma el valor de 147.125 m y B 52.75 m. Esto porque se considera B como el ancho basal del decantador n◦1. La tabla J-2 indica la socavación en la curva. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-3 Figura J-1: Zona de Estudio. Tabla J-2: Socavación en curva. Socavacion en Curva ys 5.28 ho 4.50 r 147.13 B 52.75 r/B 2.79 J.2. Socavación Local en Pilares Obra de Desv́ıo Los pilares que forman la obra de desv́ıo pueden verse sometidos a fenómenos de socavación, ya sea durante eventos aluvionales o crecidas ĺıquidas. A conocimiento de los autores de éste estudio, no se encontraron formulaciones emṕıricas para la socavación en pilas de puente durante eventos aluvionales. Por dicho motivo, se utilizarán las formulaciones existentes y propuestas en el manual de carretera MOP 2017 y la formula de Jain y Fisher, todas para agua clara. Todas las formulacio- nes, fueron estudiadas para lechos de arena y no lechos de granulometŕıa gruesa y extendida como la presente en la quebrada de Macul, por lo que los resultados aqúı expuestos tienen un grado de incertidumbre a considerar. Las formulaciones utilizadas son las siguientes: MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-4 J.2.1. Laursen-Toch ys a = 1.35 (h a )0.3 (J-2) donde ys, a y h, son la socavación local al pie de la pila, el diámetro de la pila y la altura de escu- rrimiento respectivamente. J.2.2. Breusers, Nicollet y Shen ys a = 2 · tanh (h a ) (J-3) J.2.3. Envolvente de Datos Experimentales de Diversos Autores (EDE) ys a = 2 ( h a )0.35 para h a ≤ 2 2.5 para h a > 2 (J-4) J.2.4. Relación de Richardson, Fr > 0.5 ys a = 2 (h a )0.35 F 0.43 r (J-5) donde Fr es el número de Froude. J.3. Jain y Fisher A diferencia de las ecuaciones anteriores, que son para flujos subcŕıticos, la ecuación de Jain y Fisher fue estudiada para flujos supercŕıticos. ys a = 2 (Fr Fc − 1 )0.25 F 0.25 c (h a )0.5 (J-6) donde Fc segun la relaciòn de Shields toma el siguiente valor: Fc = 3.21τ0.5 ∗ (D50 h ) ∗ ln ( 11 h D50 ) (J-7) en que τ∗ = 0.06 es el esfuerzo de corte cŕıtico según Shields. El manual de carretera MOP (2017), establece una corrección a la socavación calculada por las fórmulas anteriores. Esta corrección es: ys = K · ys (J-8) donde K es un coeficiente dado por: MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-5 K = KsKwKgKgrKrKd (J-9) Recordemos que estas formulaciones son para socavación en pilas de puentes, por lo que Ks es un factor de forma de la pila, Kw factor de alineamiento de una pila no circular con la corriente, Kg factor debido a la dispersión granulométrica de arenas no uniforme, Kgr factor que toma en cuenta la presencia de un grupo de pilas, Kr es el factor por afloramiento de la base de fundación y Kd es el factor de influencia por tamaño del sedimento. Dado la configuración de la obra de desv́ıo a diseñar y considerando que los pilares son circulares, Ks = Kw = 1. Además, no se tiene el diseño de las fundaciones de los pilares por lo que Kr = 1. El resto de los coeficientes, se calculan de la siguiente manera: Kg = σ−0.24 g ; σg = D84/D50 (J-10) Kd queda definido según Chiew y Melville (1987) como: Kd = { 0.398ln ( a D50 ) − 0.034ln2 ( a D50 ) 1 < a D50 < 50 1.0 a D50 ≥ 50 (J-11) Kgr = (e− a e )−0.3 (J-12) donde e, es el espaciamiento entre pilares medidos desde el centro de los pilares. En el caso de la obra de desv́ıo, considerando que los pilares tienen un diámetro a = 1.3 m y estan separados 1.5 veces las part́ıculas de 1 m, es decir 1.5 m de luz, e = 2.8 y Kgr = 1.2. La Tabla J-3, resume la socavación local en los pilares de la obra de desv́ıo para las distintas fórmulas utilizadas considerando la corrección por coeficientes K (ys) y sin corrección y∗s . Tabla J-3: Add caption Fórmula ys(m) y∗s(m) Laursen Toch 1.30 2.55 BNSh 1.32 2.59 EDE 1.66 3.25 Richardson 2.44 4.79 Jain y Fisher 2.65 5.19 Promedio 1.88 3.67 La Tabla J-3 muestra una clara diferencia entre los valores corregidos y sin corregir. Esto princi- palmente por el efecto que consideran estas fórmulas de acorazamiento del lecho ante la presencia de una granulometŕıa gruesa. Lo cual tiene sentido para el caso de agua clara. Sin embargo, Liu We (2017) estudia numéricamente la socavación producida por un flujo detŕıtico en una pila de puente de geometŕıa circular. Sus conclusiones, aunque le faltan una validación emṕırica, indican que la socavación aumenta de manera no lineal con el incremento de la concentración volumétrica de sólidos y la velocidad. Finalmente indica que en comparación con la socavación en pilas de puente para agua clara, en flujos detŕıticos la socavación se ve afectada por más factores como lo son la concentración de sólidos y la interacción ĺıquido-sólidos. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-6 J.4. Socavación General La socavación general sobre un tramo del lecho de un ŕıo, es aquella que ocurre cuando hay un des- valance en la taza de sedimentos que ingresa y sale de dicho tramo. La condición más desfaborable, ocurre suponiendo una interrupción del sedimento de entrada. En ese caso, el lecho del ŕıo se socava hasta que la velocidad en la sección socavada alcanza la condición de arrastre incipiente, es decir, cuando el flujo pierda la capacidad de movilizar los sedimentos del lecho. Las formulaciones para el cálculo de la socavación general en el lecho de un cauce presentes en el manual de carreteras Mop (2017) se basan en la condición más desfavorable anteriormente descrita. En dicho manual, se presentan el método de Neill y Lischtvan - Levediev cuya expresión matemática para sedimentos no cohesivos es la siguiente: Neill⇒ hcj = ( qj 1.81 · √g ·D0.33 ) (J-13) Lischtvan− Levediev ⇒ hcj = ( qj 0.68 · β ·D0.28 · ψ ) 1 χ+1 (J-14) donde qj es el caudal por unidad de ancho en la franja j de ancho bj (ver Figura J-2). D el diámetro caracteŕıstico de los sedimentos, g la aceleración de gravedad, β es un valor asociado a la probabilidad de excedencia (según Tabla 3.707.405.A MOP(2017)) y ψ toma valores según el peso espećıfico de la mezcla agua - sedimentos (según Tabla 3.707.405.C MOP(2017)). La socavación general (S) finalmente se calcula como: S = hcj − hj (J-15) donde hcj es la altura de escurrimiento en la sección socavada j y hj es la altura de escurrimiento previa al proceso de socavación en la sección j. En el caso del decantador n◦1, se considera que el lecho no es irregular como el de la Figura J-2y por lo tanto no se realiza el cálculo por cada subsección j. Figura J-2: Sección tipo para el calculo de la socavación general según los métodos de Neill y Lischtvan - Levediev. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-7 En la obra de desv́ıo, los ensayos realizados muestran que el flujo desviado se concentra en una zona particular del vertedero, esto es 30 m, según B1 de la Figura J-4. Considerando, el caudal detŕıtico máximo probable de 382m3/s concentrado en un ancho B1 = 50m, qj = 7.64.7, D = D50 = 0.181m, β = 1, χ = 0.262 y psi = 2.53 para el cual se considera una densidad de la mezcla agua sedimentos de 1800 Kg/m3, se tienen los siguientes valores para la socavación general: Tabla J-4: Socavación general según los métodos de Neill y Lischtvan - Levediev. Autor hcj [m] H [m] S [m] Neill 2.09 4.5 -2.4 Lischtvan - Levediev 4.75 4.5 0.259 Sin embargo, se pueden tener crecidas exclusivamente ĺıquidas. En ese caso, psi = 1 y considerando el caudal máximo probable de 237 m3/s, se tiene según Lischtvan - Levediev una socavación: S = 2.3m (J-16) Considerando el caso más desfavorable (Lischtvan - Levediev), se tiene la siguiente socavación ge- neral: S = 2.3m (J-17) J.5. Socavación Total Obra de Desv́ıo La socavación total en la obra de desv́ıo está dada, por la suma de la socavación general (2.3 m), la socavación local en los pilares (1.88 m) y la socavación por curvatura (5.28 m). Además, dada la incertidumbre existente en la validez de las formulaciones utilizadas para flujos detŕıticos, se considera un factor de seguridad Fs = 1.3. Por lo tanto la socavación total en la obra de desv́ıo es: Tabla J-5: Socavación total obra de desv́ıo. ystotal 15 (m) J.6. Fuerza de Impacto sobre Estructuras Los investigadores sugieren que la fuerza de impacto depende principalmente de la velocidad del flujo más que de la altura del flujo. Es aśı como se pueden encontrar distintas formulaciones para la fuerza de impacto que consideran solo la fuerza hidrodinámica (velocidad) o solo la fuerza hidroestática (altura) o mixta en que consideran las dos. La formulación para estas fuerzas son las siguientes: F = CdρmU 2 · A (J-18) F = ChρgH · A (J-19) F = Cm(ρgH + ρU2) · A (J-20) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-8 donde la primera ecuación corresponde a la fuerza de impacto hidrodinámica, la segunda a la hi- droestática y la tercera a la fuerza de impacto mixta. Cd, Ch, Cm son coeficientes, ρm la densidad de la mezcla detŕıtica, g la aceleración de gravedad, H la altura de escurrimiento, U la velocidad media del escurrimiento y A el área de impacto. Hu (2011) presenta en su estudio un análisis de datos de fuerza de impactos medidos en tiempo real en la quebrada Jiangjia, China, donde registraron 42 pulsos aluvionales. En este mismo estu- dio, el autor presenta un buen resumen de distintas formulaciones realizadas por diversos autores e indica que Cd basado en ensayos de laboratorio puede tomar valores desde 0.2 a 2.2 (Armanini y Scotton,1993), 1.25 a 3.75 según (Scotton y Deganutti, 1997), y 0.38 a 18.67 basado en datos tomados en terreno de 8 flujos detŕıticos (Hub et al., 2009), mientras que Zhang y Yuan (1985) reportaron valores entre 1.4 y 8.1 para 24 flujos detŕıticos en la quebrada Jiangjia en 1975. Otros autores proponen valores entre 2 y 5 (Watanabe e Ikeya, 1981; Zhang, 1993), mientras que Hu (2011) en el mismo estudio indica que Cd puede tomar valores entre 0.3 y 11.1, aunque solo en 3 de sus mediciones en terreno superaron el valor de 3.0. Bugnion (2011) mide la fuerza de impacto sobre dos sensores en un modelo f́ısico construido sobre el terreno natural de una ladera de un cerro. El canal es de 41 m de largo, 8 m de ancho y 30◦ de pendiente, donde es capaz de descargar hasta 50 m3 de material. En sus ensayos alcanza velocidades entre 5.3 y 10.4 m/s y utiliza una granulometŕıa que considera finos, arenas y gravas hasta los 6 cm de diámetro. En su estudio indica que el modelo hidrodinámico es el que mejor se ajusta a la fuerza de impacto sobre la estructura. El coeficiente Cd según sus ensayos realizados fluctuan entre 0.36 y 2. Este mismo autor y sus referencias, indica que el manual para el diseño de estructuras de mitigación frente a flujos detŕıticos en Suiza y Hong Kong, sugiere utilizar el modelo hidrodinámico con coeficiente Cd entre 2 y 3. En el caso de Ch para el modelo hidroestático, Armanini y Scotton (1993) y Scotton y Deganutti (1997) proponen valores entre 2.5 y 7.5, basados en experimentos de laboratorio. Con datos de la quebrada Jiangjia en 2004, Hu (2011) indica que Ch toma valores entre 1.89 y 44.57 con solo 7 flujos que superaron el valor de 7.5. Este mismo autor indica que el modelo hidrodinámico tiende a predecir mucho mejor la fuerza de impacto sobre una estructura que el modelohidroestático. Para el modelo mixto propuesto por Arattano y Franzi (2003), el coeficiente Cm para el análisis de datos de la quebrada Jiangjia realizados por Hu (2011) va desde 0.28 a 9.88 aunque solo en 3 de los casos supera el valor de 3.0. De esta manera, un valor de 3.0 estima de buena forma la fuerza de impacto en la mayoŕıa de los casos. Lo anterior muestra la gran dispersión en el valor de estos coeficientes, y la dificultad en la predic- ción de la fuerza de impacto de los flujos detŕıticos sobre las estructuras. Esta dispersión se debe en gran medida, a la diferencia en el tamaño de sedimentos transportados y al angulo con que el sedimento impacta a las estructura. En el caso de los flujos registrados en la quebrada Jiangjia, el diámetro de la mayoria del sedimento transportado se encontraba entre 20 y 50 mm y se registraron algunos impactos sobre los sensores de part́ıculas sobre los 30 cm. En cambio, en la Quebrada de Macul, hay registro de part́ıculas del MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-9 orden de 4 m que han sido arrastradas por un aluvión, por lo que el coeficiente a utilizar debe ser considerable. Teniendo en cuenta que la mayoŕıa de los estudios encontrados en la literatura indican que los mejores resultados se obtienen con el modelo hidrodinámico, la Tabla J-6, muestra el es- fuerzo de impacto en función del coeficiente Cd considerando un flujo a 10 m/s con una densidad de la mezcla de 1900 kg/m3 equivalente a un flujo aluvional con una concentración volumétrica del 60 %. Tabla J-6: Esfuerzo de impacto sobre estructura según modelo hidrodinámico en función de el coeficiente Cd. Cu 0.5 1 2 3 5 7 11 18 τ (MPa) 0.095 0.19 0.38 0.57 0.95 1.33 2.09 3.42 Mediante un análisis f́ısico del problema, sabemos que la fuerza, es la variación del momentum en el tiempo, es decir: F = d(mv) dt (J-21) De los ensayos de pulso aluvional, la velocidad con la que llega el flujo y la velocidad con la que sale hacia la hondonada se ve reducida en un 50 % aproximadamente (ver Tabla 26 y Figura 68). Por lo tanto, si consideramos que una roca de 3 m de diámetro que reduce su velocidad de 10 m/s a 5 m/s impacta sobre un pilar, podemos graficar F (t) donde t es el tiempo que toma en reducir su velocidad. Para compararla con los esfuerzos calculados con los modelos anteriores, consideraremos arbitrariamente que el área de impacto es una sección de 30 x 30 cm. La figura siguiente muestra los resultados: MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-10 Figura J-3: Esfuerzo de impacto sobre estructura considerando un área de 30x30 cm. La figura anterior indica que, si dt es pequeño la fuerza tiende a infinito. Por otro lado, si dt tiende a infinito, la fuerza tiende a 0.8 MPa. Considerando que la obra de desv́ıo tienen un largo de 120 m, una part́ıcula que viaja a 10 m/s tardaŕıa 12 segundos en recorrerla; si viaja más lento (5 m/s) tardaŕıa 24 s en recorrerla. Es decir, el tiempo en que ocurre la variación de momentum de la roca tiende a ser entre 24 y 12 segundos, por lo que según la gráfica anterior la fuerza de impacto debeŕıa ser entorno a 1 MPa. Obviamente esto está fuertemente influenciado por el área de impacto, la cual si se reduce a 10x10 cm, el esfuerzo tendeŕıa a 7 MPa. Teniendo en cuenta lo anterior y considerando por ejemplo que en Suiza y Hong Kong recomiendan para el diseño un valor entre 2 y 3 para el coeficiente Cd, que según el análisis f́ısico el esfuerzo podŕıa tender a 1 MPa, y que según la Tabla J-6 1 MPa correspondeŕıa a un coeficiente Cd ∼ 5.5, se recomienda diseñar para 1MPa pero, que la estructura resista sin colapsar esfuerzos de 3MPa dado que estudios muestran que estos pueden ser alcanzados en algunos casos puntutales (Cd ∼ 18). El modelo hidrodinámico considera la densidad de la mezcla, por lo que tiene sentido distribuir la carga en el área formada por el ancho del pilar y una altura de 2 m similar a un D90 o 2·D84. Como la obra podŕıa eventualmente ir acumulando sedimentos y venir un siguiente pulso aluvional y aśı sucesivamente, este esfuerzo debe ser soportado en cualquier punto del pilar, en su base, en el centro, en su extremo superior, etc. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-11 J.7. Protección de Enrocados El canal de desv́ıo aluvional junto con el talud sur de la hondonada, se protegen con enrocados consolidados de hormigón. Para el calculo del tamaño de enrocado se revisó el Manual de Carretera, Libro Hidráulica Aplicada al Diseño de Obras de Horacio Mery (2007), Apuntes del Curso Trans- porte Hidraulico de Solidos de Yarko Niño (2005) y el paper de Frizell et al (1998). Las propiedades de las rocas utilizadas para los cálculos de enrocados son las mostradas en la Tabla J-7. El caudal usado para el calculo es el máximo ensayado multiplicado por el porcentaje desviado (80 %) que equivale a 306 m3/s. Según recomendaciones, para consolidar con hormigón se debe inyectar la mezcla 0.5 veces el diáme- tro del enrocado, pero debido a las incertidumbres producto del flujo aluvional, se recomienda penetrar el hormigón un espesor equivalente al diámetro del enrocado. Tabla J-7: Propiedades del Enrocado Parámetro Unidad Valor Densidad (ρe) kg/m3 2650 Angulo de Reposo (φ) o 42 Porosidad (np) - 0.45 Coeficiente de Uniformidad (Cu) - 1.95 Las tamaños y pesos de los enrocados deben seguir con la clasificación mostrados en las tablas J-8 y J-9. Tabla J-8: Mı́nimos y máximos tamaños de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) Clasificación Tamaño (m) d15 d50 d85 d100 Min Max Min Max Min Max Max I 0.15 0.094 0.132 0.145 0.175 0.198 0.234 0.305 II 0.25 0.140 0.198 0.216 0.267 0.292 0.356 0.457 III 0.3 0.185 0.267 0.292 0.356 0.394 0.470 0.610 IV 0.4 0.234 0.330 0.368 0.445 0.495 0.584 0.762 V 0.5 0.279 0.394 0.432 0.521 0.597 0.699 0.914 VI 0.55 0.330 0.470 0.508 0.610 0.699 0.826 1.067 VII 0.65 0.368 0.533 0.584 0.699 0.787 0.940 1.219 VIII 0.8 0.470 0.660 0.724 0.876 0.991 1.168 1.524 IX 1 0.559 0.800 0.864 1.054 1.194 1.410 1.829 X 1.1 0.648 0.927 1.016 1.232 1.384 1.638 2.134 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-12 Tabla J-9: Mı́nimos y máximos pesos de rocas para enrocados (HEC-23, Lagasse et al 2009) Clasificación Peso (Kg) W15 W50 W85 W100 Min Max Min Max Min Max Max I 9 kg 2 5 7 12 18 29 64 II 32 kg 6 18 23 43 56 101 215 III 80 kg 14 43 56 101 137 234 510 IV 150 kg 29 81 113 198 274 449 997 V 1/4 ton 49 137 181 318 479 768 1722 VI 3/8 ton 81 234 295 510 768 1267 2735 VII 1/2 ton 113 342 449 768 1100 1870 4082 VIII 1 ton 234 649 854 1516 2190 3593 7973 IX 2 ton 393 1154 1451 2638 2832 6310 13777 X 3 ton 612 1795 2362 4211 5975 9905 21878 J.7.1. Enrocado Fondo Vertedero No se encontró bibliograf́ıa de enrocados para flujo aluvionales, por lo mismo y por el flujo de alta velocidad descrito en el canal de desv́ıo aluvional, se considero para este calculo formulaciones para flujos en pendientes del orden del 18 % y con velocidades altas, como lo son para el caso sobre-paso de presas (Frizell et al) y barreras fijas (Hartung y Schenerlein), en ambas formulaciones se considera un caudal unitario. Además se estima pertinente estimar el tamaño del enrocado con la formulación de Isbash que considera velocidades máximas admisibles. Los ensayos realizados en el modelo, muestran que el flujo desviado se concentra en una zona en particular del vertedero (Figura J-4). Debido a esto, se escogen 2 “largos efectivos” del vertede- ro para estimar el caudal por unidad de ancho considerando que todo el caudal circula por ah́ı. El primero, consideraa todo el ancho del vertedero (B2) que equivale a 125 metros y el segundo considera el ancho donde se concentra el flujo desviado por la obra de desv́ıo (B1) que equivale a aproximadamente a 30 metros. En la Figura J-4 se ejemplifica los dos dimensiones. B1 B2 Figura J-4: Anchos considerados para obtener el caudal por unidad de ancho. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-13 J.7.1.1 Formula Frizell et al Lo parámetros usados para la formulación se describen en la Tabla J-10 Tabla J-10: Parámetros y sus valores Parámetro Unidad Valor Caudal unitario B1 (q1) m3/s/m 10.2 Caudal unitario B2 (q2) m3/s/m 2.4 Pendiente canal de desv́ıo (S) - 0.18 La formulación es iterativa, partiendo por: Paso 1: Encontrar un d50 para el enrocado en función del coeficiente de uniformidad (Cu), caudal unitario (q) y pendiente de fondo (S). Ello se obtiene de la Figura J-5. Figura J-5: Curvas de diseño para enrocados, para varias pendientes (Frizell et at, 1998). Considerando que los caudales unitarios y pendiente descritos en la Tabla J-10 no se observan en la Figura J-5, se construye la siguiente función para la pendiente de S = 0.2, en base a la Figura J-5. D50Cu 0.25 = 0.26 · 2q0.5 (J-22) Paso 2 Se calcula la velocidad intersticial que pasa a través del enrocado. Ve√ qD50 = 2.48Cu−2.22S0.58 (J-23) Se estima que la velocidad promedio en todo el enrocado es: Vavg = Ve · np (J-24) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-14 Paso 3 A continuación se obtiene la altura promedio (y): y = q/Vavg (J-25) Si la altura (y) es menor que 2D50 entonces se obtiene el D50 para el diseño, de lo contrario se sigue. Si S < 0.25 se continua al paso 4, de lo contrario se procede al paso 9. Paso 4 Se encuentra la altura de agua por sobre el enrocado. Para ello se considera la altura obtenida para el esfuerzo critico: γhsS = 0.06 · ρe − ρa ρa ·D50 · tan(φ) (J-26) Paso 5 Calcula el coeficiente de manning en función del diámetro del enrocado: n = 0.0414 ·D1/6 50 (J-27) Paso 6 Se obtiene el caudal unitario correspondiente al flujo superficial: qs = h1.67 s S1/2 n (J-28) Cabe mencionar que en este análisis se considera un flujo superficial por unidad de ancho (qs) y un flujo a través del enrocado (qe) Paso 7 Se obtiene el caudal unitario del enrocado restando el caudal total (q) y el superficial (qs) qe = q − qs (J-29) Paso 8 Se calcula la altura relativa al flujo que escurre a través del enrocado: he = qe/Vavg (J-30) Si la altura del flujo que pasa a través del enrocado (qs) es mayor o igual a 4 veces el D50 se continua al Paso 9, de lo contrario termina la iteración. Paso 9 Incrementar en un 10 % el D50 y pasar al paso 4. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-15 Considerando los valores de las Tablas J-7 y J-10 se comienza con la primera iteración, mostrada en la Tabla J-11 para el caudal unitario q1 = 10.19 m3/s/m. Tabla J-11: Valores de los parámetros para la primera iteración correspondiente a q1 Paso Parámetro Valor Comentario 1 D50 0.71 2 Vabs 0.23 3 y 44.74 y > 4D50 ; S < 0.25 4 hs 0.67 5 n 0.04 6 qs 5.66 7 qe 4.52 8 he 19.87 he > 4D50 9 D50 0.78 1.1 D50 Después de 4 iteraciones se llega al D50 para el caudal q1, indicado en la Tabla J-12. Tabla J-12: Valores de los parámetros para la iteración 4 correspondiente a q1 Paso Parámetro Valor Comentario - D50 1.03 iteración 4 4 hs 0.89 5 n 0.04 6 qs 8.7 7 qe 1.48 8 he 5.64 he < 4D50 9 D50 1.03 FIN A continuación se muestra la primera iteración considerando el caudal unitario q2 = 2.44 m3/s/m Tabla J-13: Valores de los parámetros para la primera iteración correspondiente a q2 Paso Parámetro Valor Comentario 1 D50 0.35 2 Vabs 0.16 3 y 15.34 y > 4D50 ; S < 0.25 4 hs 0.33 5 n 0.03 6 qs 1.94 7 qe 0.51 8 he 3.18 he > 4D50 9 D50 0.38 1.1 D50 Después de 2 iteraciones se llega al D50 para el caudal q2, indicado en la Tabla J-14. MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-16 Tabla J-14: Valores de los parámetros para la iteración 2 correspondiente a q2 Paso Parámetro Valor Comentario - D50 0.38 iteración 2 4 hs 0.36 5 n 0.039 6 qs 2.24 7 qe 0.21 8 he 1.25 he < 4D50 9 D50 0.38 FIN J.7.1.2 Formulación Hartung y Schenerlein La siguiente fórmula fue desarrollada de forma emṕırica, válida para pendientes menores a 0.2: q √ gd 3/2 s = 1.9 + 0.8P − 3 sin(α) (J-31) donde α es el angulo de inclinación de la pendiente y P es un coeficiente que depende del tipo de colocación del enrocado. Para la colocación de volteo se tiene: P=0.625, para un colocación manual: P = 1.125. Considerando el coeficiente más desfavorable P=0.625, se obtiene los siguientes ds: Tabla J-15: Valores del diámetro del enrocado ds correspondiente a los caudales q1 y q2. q [m3/s/m] ds [m] 10.19 1.46 2.44 0.56 J.7.1.3 Formulación Isbash Según esta formulación existe una máxima velocidad media aceptable, sobre el fondo de un cauce revestido con enrocados que tiene un ángulo de inclinación α, para que una roca no se mueva. La relación es la siguiente: vmax = C √ 2g(s− 1)ds cos(α) (J-32) donde C es un coeficiente que se obtiene de la Figura J-6. Debido a que el enrocado va a estar consolidado en hormigón, se consideró un Coeficiente C = 1.20. C=0.86 C=1.20 Figura J-6: Estabilidad de un enrocado según Isbash, Coeficiente C. (Mery, 2007). MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-17 Considerando las velocidades máximas obtenidas para los caudales 80 y 121 m3/s en la salida del vertedero (6.11 y 8.11 m/s respectivamente, Tabla 31) se obtienen los siguientes ds. Tabla J-16: Diámetro enrocado, para las velocidades máximas obtenidas de los ensayos a caudal constante. Q [m3/s] ds [m] 80 1.02 121 1.76 J.7.1.4 Formulación Neil Considerando el criterio de velocidad critica de arrastre Neil encontró la siguiente relación emṕırica: Frc = 1.41 √ (s− 1) ( h ds )0.333 (J-33) donde Frc representa al Froude cŕıtico (Uc/ √ gh). Tabla J-17: Diámetro enrocado, para las velocidades máximas obtenidas de los ensayos a caudal constante. Q [m3/s] ds [m] 80 0.82 121 1.87 Al final se debe calcular el peso de cada enrocado con la siguiente formula: We = 4 3 π ( de 2 )3 · ρe (J-34) En la Tabla J-18 se muestra un resumen de los valores del diámetro del enrocado con su respectivo peso. Y además se detalla el valor adoptado de enrocado en función del promedio de todo los valores. Tabla J-18: ds enrocados para cada formula. Metodo ds [m] Peso [Kg] Frizell et al (q1) 0.38 76.24 Frizell et al (q2) 1.03 1528.97 Hartung y Schenerlein (q1) 0.56 246.89 Hartung y Schenerlein (q2) 1.46 4286.25 Isbash (v = 6.11) 1.46 1451.35 Isbash (v = 8.11) 1.76 7589.21 Neil (v = 6.11) 0.82 763.44 Neil (v = 8.11) 1.87 9128.8 Promedio 1.11 1911.86 Adoptado 1.11 1911.86 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-18 J.7.2. Enrocado Fondo Decantador 1 y zona Obra Siguiendo que las mismas ecuaciones y metodoloǵıa mencionada en la sección J.7.1. Para el actual calculo se considera un caudal unitario que es equivalente al máximo probable 382 m3/s por un ancho efectivo de 50 metros, correspondiente al ancho del decantador 1. Tabla J-19: Parámetros y sus valores Parámetro Unidad Valor Caudal unitario B (q) m3/s/m 7.64 Pendiente de D1 (S) - 0.09 En la Tabla J-20 se muestra un resumen de los valores de diámetro del enrocado con su respectivo peso. Y además se detalla el valor adoptado de enrocado en función del promedio de todo los valores. Tabla J-20: ds enrocados para cada formula. Metodo ds [m] Peso [Kg] Frizell et al (q1) 0.49 135 Hartung y Schenerlein (q1) 0.98 1292.12 Isbash (v = 8.11) 1.49 4547.19 Neil (v = 8.11) 1.48 4487.06 Promedio 1.11 1897.64 Adoptado 1.11 1897.64 J.7.3. Enrocado Talud Sur de la Hondonada. El talud en la ribera sur de la hondonada tiene una pendiente 1.5:1 (H:V). Para el calculo del enrocado se uso la formula de California Division of Highways y la Formulación de Maynord (1993), recomendada por US Army Corps of Engineers, para el diseño de enrocados con una velocidad media de 8.1 m/s: Formula de California Division of Highways Fs = 1.92 · √ sin(φ− θ) ; Fs = v√ g(s− 1)ds (J-35) donde φ es el angulo de reposo, θ angulo de la pendiente del talud, v velocidad media del flujo, s = ρenrocado/ρagua y ds diámetro del enrocado. Formulación de Maynord (1993) D30 = SfCsCvCT y [( 1 s− 1 )0.5 Ud√ K1gy ]2.5 (J-36) donde D30 es el diámetro del 30 % de fino en peso del enrocado, Sf es el factor de seguridad, Cs es el coeficiente de estabilidad (Cs = 0.3 para roca angular y Cs = 0.375 para roca redonda), Cv es el coeficiente de distribución de velocidad, CT es el coeficiente de espesor de la capa, MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-19 y es la altura media del flujo, s = ρenrocado/ρagua, Ud es la velocidad promedio en altura del flujo y K1 es un factor de corrección por pendiente: K1 = −0.672 + 1.492 cot(θ)− 0.449 cot2(θ) + 0.045 cot3(θ) (J-37) donde θ es el angulo del talud. La velocidad Ud se estima calculando la velocidad cerca del fondo (Ub) - donde es valida la región rugosa turbulenta: Ub = U 0.68 log10(y/ks) + 0.71 (J-38) donde y es la altura media del flujo, U la velocidad media del flujo y ks es la rugosidad equivalente al D50 asociado al sedimento del lecho, según los antecedentes recopilados del estudio de Prisma, se tiene que el D50 en la zona de la Hondonada es 87 mm, este valor se obtiene promediando las calicatas C1 y C2 (Ver estudio de Prisma). Para calcular el ds en función del del D30 se tienen las siguientes ecuación, según River and Channel revetments: A design manual, Manuela Escarameia, 1998. ds = 1.13D50 (J-39) D30 = 0.7D50 (J-40) Tabla J-21: Dimensiones del enrocado en el talud sur de la Hondonada. Parámetro Valor Talud (H:V) 1.5:1 Angulo reposo [rad] 0.79 ds (v = 8.1 m/s) [m] 5.61 Tabla J-22: Valores usados para calculo según ecuación J-36 Parámetro Valor Unidad Sf 1.50 - Cs 0.33 - Cv 1.00 - CT 1.00 - y 4.50 m s 2.60 - Ud 5.99 m/s K1 0.71 - θ 0.59 rad D30 1.45 m ds 2.34 m Al no ser posible construir enrocados con esas magnitudes, se considera modificar el angulo de reposo, aumentándolo a 70o, esto debido a que al ser consolidar el angulo de reposo tiende a aumenta, además MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-20 es necesario que las rocas elegidas sean con ángulos y su colocación debe ser manual. Siguiendo estas consideraciones se tiene que: Tabla J-23: ds Enrocados fondo zona Hondonada. Zona Clasificación [m] Peso [Kg] [m] ds [m] Talud Sur IX 2356 1.2 J.7.4. Enrocado zona rectificada Decantador 1. Para esta zona se calculo solo con la ecuación J-36, con la excepción de que la velocidad media del flujo fue de 11 m/s, obteniendo el siguiente resultado: Tabla J-24: Valores usados para calculo según ecuación J-36 Parámetro Valor Unidad Sf 1.50 - Cs 0.33 - Cv 1.00 - CT 1.00 - y 4.50 m s 2.60 - Ud 7.93 m/s K1 0.71 - θ 0.59 rad D30 2.93 m ds 4.73 m Considerando los mismo supuesto descritos para el enrocado del talud sur, se obtiene el mismo enrocado. Tabla J-25: ds Enrocados fondo zona Hondonada. Zona Clasificación [m] Peso [Kg] [m] ds [m] Talud D1 IX 2356 1.2 J.7.5. Socavación Enrocado rectificada Decantador 1 Para calcular la socavación al pie del enrocado, se ocupa la ecuación señalada en el manual de carreteras producida al pie de radieres para el caso de un torrente ondulante libre (Eggenberger) S + hd = 15.4 H0.5q0.6 D0.4 90 (J-41) MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-21 Figura J-7: Socavación al pie de radieres producida por torrente donde S es la socavación máxima al pie de radier (m), hd corresponde a la altura del escurrimiento aguas abajo de la fosa (m), H Carga del nivel entre aguas abajo y arriba de la compuerta (m), q caudal por unidad de ancho (m3/s/m) y D90 el diámetro medio del lecho (mm). Al ser la única ecuación para el umbral en torrente se deben hacer algunas suposiciones, tales como que la altura con la que viene por la quebrada es igual a 4.5 metros y al decantador 1 con 3.1 metros (estimación de resultados de GeoTest), esto daŕıa un H de 1.6 metros y un hd de 4.5 metros. El caudal unitario es 7.64 m3/s/m Según los antecedentes recopilados del estudio de Prisma, se tiene que el D90 en la zona de la Hondonada es 200 mm, este valor se obtiene promediando las calicatas C1 y C2 (Ver estudio de Prisma). En la Tabla J-26 se detalla el valor de la socavación, agregando al socavación general calculada en la sección J.4. Tabla J-26: ds Socavación enrocado fondo, zona obra. Socavación Valor [m] General 2.3 Umbral 3.44 Total x FS=1.3 7.46 Además se considera la misma protección para el inicio y final del enrocado de fondo del decantador 1. El detalle de cada uno de estos enrocados, sus dimensiones, ubicación y extensión pueden revisarse en el Plano 4373 11/14, 12/14 y 13/14 J.7.6. Socavación Enrocado Vertedero Se ocupa la misma formula que para el caso del Decantador 1. Se considera un caudal unitario de 8.7 m3/s/m (Ancho 35 metros y caudal 305.6 m3/s), la altura de llegada es de 4 metros y la de salida 3 metros. Considerando esto, se tienen los siguientes valores de socavación. Tabla J-27: Socavación enrocado fondo, zona vertedero. Socavación Valor [m] Umbral 3.7 Total x FS=1.3 4.81 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-22 El detalle de cada uno de estos enrocados, sus dimensiones, ubicación y extensión pueden revisarse en los Planos 4373-4/14, 5/14, 6/14 y 7/14 MODELO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA PARA EL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DEL SISTEMA DE OBRAS ALUVIONALES EN LA QUEBRADA DE MACUL, REGIÓN METROPOLITANA Informe Final revB J-23 Introducción Descripción de la zona de estudio Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Alcances del Estudio Antecedentes del Estudio Eventos Aluvionales en la Quebrada de Macul y sus Alrededores Previos al Aluvión de 1993 Antecedentes Aluvión de 1993 Hidrología del Lugar Factores Meteorológicos Incidentes en la Ocurrencia de Aluviones Análisis Hidrológico de Crecidas Caudales de Detritos Diseño de obras de desvío del flujo aluvional Geología y Geomorfología de la Quebrada de Macul Estudio Geológico Estudio Geomorfológico Modelo Numérico Existente Modelos Físicos Existentes Modelos a Escala Reducida con Fines de Investigación Modelos a Escala Reducida Aplicado a Estudios de Ingeniería Civil Trabajos de Terreno Topografía Granulometrías Calicatas Distribución de Calicatas Distribución de Sedimentos Diámetros Equivalentes Granulometría Superficial Contenido de limos y arcillas Hidráulica de Aluviones Análisis dimensional Caracterización mecánica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) Clasificación dinámica de los flujos de detritos según Takahashi (2014) Clasificación Aluviones Quebrada de Macul Contenido de Finos y Viscosidad Fluido Intersticial Clasificación de aluviones en la Quebrada de Macul Escala Modelo Físico Efectos de Escala Reología Fluido Intersticial en Modelo Modelo Físico 0: Canal de Generación del Aluvión Escalamiento modelo físico Escalamiento de la Curva Granulométrica Maqueta Conceptual: Definición de Obra de Desvío Descripción Alternativas Resultados y Análisis Ensayo de Pulso Aluvional y Diagnóstico de Alternativa Seleccionada en Modelo Físico Escala 1:50 Instalación Experimental Metodología Ensayos Modelo Físico 1:50 Conjunto de Ensayos Análisis de Resultados Ensayos doble pulso Diagnóstico Ensayo y Diagnóstico en Modificaciones del Modelo Físico Escala 1:50 Modificación 1, Apertura Ribera Sur Modificación 2 y 3, variación del número de pilares Modificación 4 Resumen Modificaciones Análisis de Resultados Obra de Desvío Escogida Estudio de Presa de Abertura Vertical en Hondonada Modelo Físico "Slit Dam"Hondonada Resultados Obtenidos Evaluación del Funcionamiento del Sistema Completo (Obra de Desvío, Decantadores y Hondonada) con Fluido Equivalente en Modelo Físico a Escala 1:50 Puesta en Marcha Ensayos Crecidas Líquidas (sólo agua) Ensayos Crecidas Detríticas (Fluido Equivalente Agua-Bentonita) Resultados Análisis de Velocidades Peralte en Curva Obra de Desvío Zona Apertura Vertedero Dimensionamiento de Obras Obra de Desvío Revestimiento y Enrocados Zona Vertedero Zona Hondonada Fuerza de Impacto sobre Obra de Desvío Conclusiones ANEXOS Estudio Geológico Unidades de Roca Unidades de Suelo Levantamiento Topográfico Metodología Vinculación Levantamiento Topográfico Levantamiento Aerofotogramétrico Planificación de Vuelos Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestre Desarrollo Vinculación Levantamientos Topográficos Levantamiento Aerofotogramétrico con UAS Materialización y Medición de Puntos de Control Terrestres Vuelos Levantamiento Topográfico Vuelos Aerofotogrametricos Entregables de Levantamiento Aéreo Nube de Puntos OrtoMosaico Sistema UAS Trimble UX5 Funcionamiento General Cámara Digital para Imágenes de Alta Calidad Especificaciones de Funcionamiento Puntos de Control Terrestre Software de Procesamiento Sistema GNSS GNSS Tiempo Real (RTK) Equipos GNSS Granulometrías Calicatas Distribución de Calicatas Distribución de Sedimentos Diámetros Equivalentes Granulometría Superficial Salida a Terreno para Determinación de Limos y Arcillas Curva granulométrica terreno Reología del fluido intersticial Modelo 0: Canal de Generación Flujo Aluvional Historia de los Modelo 0 V1 a V4 Diseño y Instalación Experimental de la Maqueta Conceptual Diseño Vertedero lateral Características generales del diseño de un vertedero lateral Diseño Vertedero Diseño Alternativas propuestas Alternativa 2 Alternativa 4 Instalación Experimental Montaje Experimental Instrumentación Camáras fotográficas Sensores ultrasónicos Técnicas de Medición de Velocidad Velocidad por PIV Metodología Metodología Ensayos Construcción Modelo Físico escala 1 a 50 Proyecto de Construcción del modelo a escala reducida Informe de Avance de la Construcción Obra gruesa Canal Aluvional y Estructura Metálica Instalación, Metodología y Ensayos Modelo Físico escala 1:50 Instalación Experimental Sistema de preparación del material detrítico Estanque de mezcla Canal de generación Decantadores n1, 2, 3, 4, 5 y Hondonada Obra de desvío Estanque receptor Sistema de Medición Camáras fotográficas Sensores ultrasónicos Técnicas de Medición de Velocidad Puesta en Marcha Verificación y Validez Volumen Descargado Ensayo Volumen 0.6 m3 Ensayo Volumen 0.4 m3 Ensayo Volumen 0.4 m3, Segundo intento. Metodología Experimental y Set de Ensayos Metodología Ensayos Modelo Físico 1:50 Set de Ensayos Ensayos, Modelo Físico 1:50 Ensayo Cp7Cv38 Ensayo Cp8Cv38 Ensayo Cp10Cv38 Ensayo Cp7Cv45 Ensayo Cp8Cv45 Ensayo Cp10Cv45 Ensayo Cp7Cv50 Ensayo Cp8Cv50 Ensayo Cp10Cv50 Diseño Hidráulico de Obra de Desvío Socavación por Curvatura Socavación Local en Pilares Obra de Desvío Laursen-Toch Breusers, Nicollet y Shen Envolvente de Datos Experimentales de Diversos Autores (EDE) Relación de Richardson, Fr>0.5 Jain y Fisher Socavación General Socavación Total Obra de Desvío Fuerza de Impacto sobre Estructuras Protección de Enrocados Enrocado Fondo Vertedero Formula Frizell et al Formulación Hartung y Schenerlein Formulación Isbash Formulación Neil Enrocado Fondo Decantador 1 y zona Obra Enrocado Talud Sur de la Hondonada. Enrocado zona rectificada Decantador 1. Socavación Enrocado rectificada Decantador 1 Socavación Enrocado Vertedero