El presente manual fue desarrollado para el uso del programa “RIVER” y está
dirigido a los profesionales e instituciones que están involucrados en obras
de protección de cauces o defensas ribereñas.
Este manual fue elaborado por el Programa de Encauzamiento de Ríos y
Protección de Estructuras de Captación - PERPEC de la Dirección de Estudios de
Proyectos Hidráulicos Multisectoriales - ANA y debe ser tomado como una
referencia para el buen diseño de estructuras laterales y espigones.
El PERPEC, cuenta con experiencia en la dirección técnica y supervisión de
proyectos de defensa ribereña, motivo por el cual ha validado el programa
RIVER y recomienda a los profesionales a su buen uso.
El programa RIVER, fue elaborado por el ingeniero Emilse Benavides C.,
profesional especialista de la Autoridad Nacional del Agua (ANA) del
Ministerio de Agricultura.
Para la instalación del programa, es necesario contar con los siguientes
archivos:
Instalar el archivo WindowsInstaller-KB893803-v, haciendo doble clic; es
posible que algunas máquinas tengan todos los service pack (programa para
actualizar el sistema operativo); en este caso no será necesario la
instalación de este archivo.
Instalar el archivo dotnetfx, haciendo doble clic en el archivo; dependiendo
de la capacidad de la máquina, tomará algunos minutos.
Copiar el archivo River en el disco “C”; en esta misma unidad crear la carpeta
RIVER_DATA, donde se guardarán los archivos de trabajo.
Para acceder al programa es necesario dar un doble clic al ícono River y
aparecerá la siguiente pantalla.
Acceder al menú principal y optar por el tema caudal de diseño. El programa
considera tres métodos para calcular el caudal de diseño: Estadístico,
Empírico y Caudal Instantáneo.
.....................
(4) Para continuar con el cálculo del caudal de diseño, se debe ordenar la
información para calcular los parámetros estadísticos.
Considerando la opción Ordenar Datos de la barra del menú principal
Procesos, se ordenar los datos para luego optar por la opción
Parámetros Estadísticos.
Los parámetros estadísticos considerados en el programa son:
Suma de registros, Media, Desviación Estándar, Coeficiente de Asimetría,
Coeficiente de Variación, Número de Registros, Media-Log, Log-Desviación
Estándar, Log Coeficiente de Asimetría y Log-Coeficiente de Variación.
(5) Cálculos estadísticos, el programa incluye tres modelos probabilísticos:
Log Normal, Gumbel y Pearson III, para ello acceder al menú principal,
considerando la opción Métodos.
La primera opción es la función Log Normal, dar un clic en el tema Calcular
dentro del menú Procesar. El programa calculará los caudales para 10 años de
periodo de retorno.
Para calcular el caudal mediante las otras dos funciones, es necesario dar
un clic en la opción Regresar. Luego ir al menú Procesar y Regresar
(6) Definición del caudal de diseño, finalmente se tendrá el cálculo del
caudal(es) mediante los tres modelos probabilísticos.
El programa elegirá aquel caudal que tenga el mayor coeficiente de
correlación, como caudal de diseño, picando el siguiente ícono.
Para acceder al cálculo del caudal por los otros métodos ir a la barra del
menú y picar el tema Regresar
2.1.2 Método Empírico
(1) Ingresar al menú Caudal de Diseño y optar por la opción
Método Empírico
(2) El programa solicita ingresar la siguiente información de la cuenca:
-
Nombre del Proyecto, luego de ingresar el nombre del proyecto,
dar un enter para pasar al siguiente dato de entrada.
-
Longitud de Cauce Principal (Km), se refiere a la longitud del
tramo en consideración
-
Pendiente del Cauce del Río (Manning), el dato de entrada es m/m,
considera la pendiente desde la parte más alta hasta la zona más baja
donde la precipitación genera escorrentía, en todo caso hasta el punto
de interés.
-
Diferencia de Cotas (m), este dato está relacionado con las
altitudes máxima y mínima considerando el área húmeda de la cuenca.
-
Área de la Cuenca Húmeda (Km2), se refiere al porcentaje de la
cuenca donde la precipitación genera caudal.
-
Periodo de Retorno (años), dependiendo del tipo de estructuras a
proyectarse se define el número de años.
-
Coeficiente de Escorrentía (C), se trata de la proporción de
lluvia real que produce escorrentía superficial. Valores se presenta en
el cuadro N° 1.
Cuadro N°1. Coeficientes de escorrentía (C)
Fuente: Chow et al (1988)
(3) Cálculo del tiempo de concentración, el programa considera tres
métodos:
- Soil Conservation Service of California
- R. Temez
- Kirpich.
Con la información ingresada en el paso (2), se calculará el
tiempo de concentración (Tc), dando un clic en las fórmulas para cada
uno de los 3 métodos.
Puede considerarse un tiempo de concentración promedio (Tc) u optar
cualquiera de los valores estimados, de acuerdo a criterio del proyectista.
Sin embargo el programa da la opción de ingresar manualmente un valor
diferente del Tc.
4) El programa considera el método de Mac Math para el cálculo del caudal
máximo empírico. Pero antes se debe calcular la intensidad (I) de
precipitación en (mm/h), usando del mismo modo la fórmula de Mac Math. Para
obtener el valor de “I” basta con hacer un clic en la fórmula, previa
verificación de los datos de ingreso que solicita la ecuación. De igual
forma dar un clic en la fórmula del caudal “Q”.
Para pasar al siguiente método de cálculo de caudal, ir a la barra del menú
y optar por
Procesar luego la opción Salir.
2.1.3 Caudal Instantáneo
(1) Ingresar a la barra del menú principal, e ir al tema
Caudal de Diseño, luego a la opción Caudal Instantáneo.
El programa pide ingresar la información:
- Caudal Medio (m3/s),
- Área Húmeda de la Cuenca (Km2)
-
Periodo de Retorno (años), dar un enter cada vez que se quiera pasar al
siguiente dato de entrada
(2) Caudal instantáneo, una vez ingresado los datos solicitados en el paso
anterior, dar un clic en la opción Calcular.
Finalmente se tendrá caudales instantáneos para diferentes periodos de
retorno. El método que considera el programa River es el método de Fuller.
2.2 Cálculo de Defensas Enrocadas
El Programa “River”, ha incluido dos tipos de obras: Laterales y Espigones.
Para ingresar al cálculo del primer tipo de obra, ir al menú principal
optando por el tema Defensas Enrocadas.
2.2.1 Laterales
A) Dimensionamiento del dique lateral
(1) Primero se debe ingresar la siguiente información inicial:
-
Caudal, por defecto incluye el caudal del último método
trabajado.
-
Periodo de retorno, considera al dato ingresado anteriormente,
sin embargo estos dos primeros datos pueden ser cambiados.
-
Pendiente, se refiere a la pendiente en m/m del tramo en estudio
(2) Cálculo del ancho estable del cauce (B), el programa considera cinco
opciones
1.- Recomendación práctica, esta opción está en función del caudal.
Para acceder a la tabla da valores, picar en la opción
Recomendación Práctica.
2.- Método de Petits, está fórmula está en función del caudal de
diseño. Para obtener el valor hacer clic en la caja de nombre
Método de Petits
3.- Método de Simons y Henderson, está basado en la teoría de régimen
estable y está en función del caudal de diseño y de las condiciones de fondo
del río.
Antes de proceder al cálculo, se debe acceder a la tabla de valores, picando
en la opción Método de Simons y Henderson. Este método incluye 5 condiciones
del tipo de fondo y orilla del río. Seguidamente para el cálculo final del
ancho “B”, dar un clic en la caja de la fórmula correspondiente.
4.- Método de Blench y Altunin, está basado en la teoría de régimen estable
y en función del caudal de diseño, factor de fondo (Fb) y en el factor de
orilla (Fs).
Fb y Fs, tienen en cuenta la concentración del material transportado en
suspensión, el diámetro de las partículas de fondo y la resistencia de las
orillas a ser erosionada.
Un factor de orilla (Fs) puede tomar los siguientes valores:
• Orilla de barro y arena toma el
valor de Fs: 0.1.
• Orilla de barro, arcilla, fangosa
toma un valor de Fs: 0.2.
• Orilla de material muy cohesivo,
toma un valor de fs: 0.3.
El factor de fondo Fb, puede ser valuado mediante las expresiones
siguientes:
•
Sí el canal arrastra poco sedimento
y el fondo es arenoso, emplear la siguiente expresión:
Fb= 1.9 √D, donde “D” es el diámetro medio de las partículas, en mm.
• Sí existe arrastre de sedimentos y
el fondo es arenoso, emplear la siguiente expresión:
Fb= 1.9 √D (1 + 0.012Cs) o Fb = (d50 )3
Para acceder a los valores recomendables de Fb y Fs, picar en el cajetín
Método Blench y Altunin y marcar los valores apropiados, finalmente para el
cálculo de B, dar un clic en la fórmula.
5.- Método de Manning y Strickler, este método pide seleccionar el
coeficiente de rugosidad “n”, el coeficiente del tipo material (K) y el
coeficiente del cauce (m).
El programa incluye tablas de valores recomendados, para los 3 coeficientes.
Para el caso del coeficiente de rugosidad (n) los valores recomendados
varían de
0.025 a 0.045, según el tipo de material presente.
La variación de los valores para K, va a depender del tipo de material, si
es aluvial, erosionable o muy resistente; sin embargo el programa incluye un
valor práctico.
En el caso del coeficiente “m”, los valores varían de 0.5 a 1, según el tipo
de cauce: aluvial, arenoso o de montaña.
Seleccionado los valores apropiados de los coeficientes, dar un clic en la
fórmula para obtener el valor de “B”.
Finalmente se podrá apreciar los valores del ancho estable del rio “B”,
mediante los 5 métodos.
(3) Sección teórica del cauce,
comprende calcular el tirante (Y), ancho (T), área (A), perímetro, velocidad
y N° Fraude; mediante el método de Manning y Strickler.
V = KsR 2
/ 3 S 1/
2
Y = (Q /(Ks * b *
S
0.5 ))3/ 5 = t
F = V /(g * A /
T
)1/ 2
Donde:
Ks, inversa del coeficiente de rugosidad
V, velocidad en m/s
R, radio hidráulico
S, pendiente
Y, tirante hidráulico
Q, caudal en m3/s
b, ancho medio de la sección estable
A, área
mojada (m2)
Valores para Ks
Cuadro N°2. Valores del coeficientes de Ks
cuadro
Fuente: ACI-UNI, Diseño de obras hidráulicas, 1994
Antes del procesamiento, el programa pide ingresar los siguientes datos:
Ancho del Cauce “B”, por defecto se tiene el promedio de los métodos
anteriores Talud (Z)
Borde libre (Bl),
Falta formula
Rugosidad
Cuadro N°3. Valores del coeficientes Ф
cuadro
Mediante el método de Manning, el programa calculará los elementos
hidráulicos de la sección del cauce, picando en el cajetín del Método de
Manning.
(4) Cálculo de las dimensiones del
dique
El programa requiere definir el tipo del dique y el tipo de suelo. El
programa incluye dique recto y dique curvo, con respecto al tipo de suelo,
éste considera dos tipos: suelo cohesivo y no cohesivo.
Tanto para el tipo de dique recto y curvo se debe ingresar el diámetro de la
partícula en milímetros, para el caso de dique curvo, adicionalmente
ingresar el radio de curva.
A) Cálculo de la profundidad de socavación.
El programa incluye al método de LL. List Van Levediev para el cálculo de la
socavación. Este método está basado para cauces naturales definidos, donde
la erosión de fondo se detendrá cuando se llegue a un equilibrio entre la
velocidad media y la velocidad erosiva.
Para suelos no cohesivos la expresión considerada es:
Para suelos cohesivos la expresión la expresión considerada es:
Donde:
Q = caudal (m3/s)
t = tirante hidráulico (m)
w = peso específico del suelo (Tn/m3)
b = coeficiente por tiempo de retorno, ver tabla para determinar los valores
ts = tirante de socavación B = Ancho del cauce (m)
μ = coeficiente de contracción x = valor de tabla
1/(x + 1) = valor de tabla
Cuadro 4.
El programa solicita el diámetro de partícula y el radio de curva, haciendo
un clic en el cajetín del método LL. List Van Levediev, se obtendrá los
valores de:
Tirante de socavación (m), profundidad de socavación, altura de uña, altura
de dique y altura total.
Por lo tanto se tiene: Hs (profundidad de socavación) = ts (tirante de
socavación) – t (tirante hidráulico)
(5) Diseño Preliminar Sugerido
Se puede considerar un diseño preliminar, accediendo al menú Procesar, luego
la opción Diseño Preliminar.
Para continuar con el diseño de la estructura de protección, ir al menú
Procesar, y seguido por Continuar.
B) Dimensionamiento del enrocado
El diámetro de la roca es dimensionado a través de las fórmulas de Maynard e
Isbash. El método de Maynard emplea las siguientes expresiones:
falta formula
El método de Isbahs emplea las siguientes expresiones:
, w: peso específico
de la roca
Basta con hacer un clic en cada fórmula para el obtener los valores del
diámetro de la roca, tanto para diques rectos como curvos.
El programa considera el diámetro como el promedio de estos métodos.
Adicionalmente se puede visualizar gráficamente la estructura con sus
dimensiones, tanto para el dique de forma recta como curva. Además, nos
permite verificar la estabilidad de la estructura al deslizamiento y volteo
2.2.2 Espigones
(1) El programa solicita Información
inicial como: caudal en m3/s, periodo de retorno y pendiente en m/m.
(2) Cálculo del ancho estable del
cauce (B), el programa considera cinco opciones, ver punto (2) del acápite
2.2.1
(3) La sección teórica del cauce, ver
el punto (3), del acápite 2.2.1
(4) Cálculo de la socavación y
distanciamiento, el programa ha considerado el método de Artomonov, para
ello definir los siguientes coeficientes: ángulo, longitud de trabajo y el
talud.
(5) Condición del espigón, se tiene 3
opciones: No sumergido, Parcialmente Sumergido y Totalmente Sumergido. Los
resultados de socavación en los extremos del espigón se obtienen dando un
clic en el cajetín Método Artomonov
(6) Distancia en cauce recto, al dar
un clic en el cajetín Distancia en Cauce Recto, se tendrá la separación
máxima y mínima, y una separación recomendada en base al promedio.
(7) Dimensiones preliminares, las
dimensiones preliminares pueden obtenerse accediendo al tema Diseño
Preliminar de la barra del menú Procesar
(8) Diseño de espigones enrocados,
dentro del menú Procesar, se tiene la opción
Continuar para el diseño de espigones enrocados.
(9) Tamaño de la Roca, en este caso
se tiene los métodos de Maynard e Isbash para el dimensionamiento de las
rocas. Por lo tanto al dar un clic en cada método se obtendrán los diámetros
para cada caso.
(10) Al picar en el cajetín INICIAR,
se tendrá todos los elementos del espigón.
Asimismo, podemos visualizar gráficamente la estructura, accediendo al menú
Procesar, luego Gráfico del Espigón, en este caso puede ser de planta o
perfil.
2.3 Diseño de canales
El programa incluye una sección para el diseño de canales, ubicado en la
última opción del menú principal.
Se puede acceder a través de la opción Hidráulica, y dando un clic en el
tema Diseño de Canales.
El diseño de la sección de canales incluye 6 criterios:
a) Tirante (Y), al dar un clic
en esta opción, el programa solicitará 5 datos de entrada: caudal en m3/s
(Q), pendiente en m/m (S), coeficiente de rugosidad (n), talud del canal
(Z) y el ancho de fondo en m (b).
Los resultados se obtendrán cuando se de un clic en el cajetín Calcular.
Los resultados considerados son: área en m2 (A), espejo de agua en m (T),
altura total en m (H), base en m (b), el perímetro mojado en m (P), la
velocidad en m/s (V), borde libre en m (Bl), tirante en m (y), radio
hidráulico en m (R), número de Fraude, régimen de flujo, área de excavación
en m2 y el perímetro de revestimiento en m.
b) Caudal (Q), al hacer clic
en esta opción, el programa solicitará 5 datos de entrada: pendiente en m/m
(S), coeficiente de rugosidad (n), talud del canal (Z), ancho de fondo en m
(b) y tirante en m (y). Igual que el caso anterior los resultados serán para
los mismos parámetros.
c) Plantilla (B), al dar un
clic en esta opción, el programa solicitará 5 datos de entrada: caudal en
m3/s (Q), pendiente en m/m (S), coeficiente de rugosidad (n), talud del
canal (Z) y tirante en m (y).
d) Máxima eficiencia, el
programa solicitará 4 datos de entrada: caudal en m3/s (Q), pendiente en m/m
(S), el coeficiente de rugosidad (n) y talud del canal (Z).
e) Mínima infiltración, como
en el criterio anterior, el programa solicitará 4 datos de entrada: caudal
en m3/s (Q), pendiente en m/m (S), coeficiente de rugosidad (n) y talud del
canal (Z).
f) Caudal (Q), como en el
criterio anterior, el programa solicitará 4 datos de entrada: el caudal en
m3/s (Q), pendiente en m/m (S), el coeficiente de rugosidad (n) y talud del
canal (Z).
RIVER es un programa desarrollado por el ingeniero Emilse Benavides C.,
especialista de la Autoridad Nacional del Agua (ANA) del Ministerio de
Agricultura en Perú. El programa está diseñado para ayudar a los profesionales
e instituciones que están involucrados en proyectos de protección de cauces o
defensas ribereñas.
Según la información provista en la página web, RIVER es una herramienta útil
para el diseño de defensas ribereñas en ríos y arroyos, ya que permite simular
las condiciones hidrodinámicas y sedimentológicas de los cauces, y evaluar el
impacto de las estructuras de defensa ribereña en el medio ambiente. Esto
puede ayudar a garantizar un diseño seguro y sostenible de las defensas
ribereñas, y a cumplir con las regulaciones y normativas ambientales locales y
regionales.
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