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PROYECTO GLACIARESAdaptación al cambio climático y reducción de riesgos de desastres por el retroceso de los glaciares en la Cordillera de los Andes
Consorcio Ejecutor:
RECOMENDACIONES para la PROTECCIÓN de la TOMA DE AGUA en CARHUAZ
(ANCASH)
Proyecto “Glaciares”
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Autores: Prof. Anton Schleiss1, Dr. Javier García Hernández2, Lic. Sebastián Ludena1 1Laboratorio de Construcciones Hidráulicas (LCH) de la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) 2Centro de Investigación sobre el Medio Alpino (CREALP)
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Índice 1. INTRODUCCIÓN Y ALCANCE .................................................................................................. 3
2. SITUACIÓN ACTUAL .................................................................................................................. 3
2.1. Ubicación ................................................................................................................................... 3
2.2. Caudales de diseño .................................................................................................................. 4
2.3. Simulación de la situación actual ........................................................................................... 7
3. SOLUCIÓN INICIAL ................................................................................................................... 12
4. SOLUCIÓN FINAL ...................................................................................................................... 16
5. REFERENCIAS ........................................................................................................................... 21
6. DOCUMENTOS ADJUNTOS .................................................................................................... 21
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1. INTRODUCCIÓN Y ALCANCE
El presente estudio se desarrolla dentro del marco de trabajo del proyecto “Glaciar 513 – Adaptación al cambio climático y reducción de riesgos de desastres por el retroceso de los glaciares en la Cordillera de los Andes”, y tiene como objeto el estudio de unas medidas básicas de protección para la obra de toma de Carhuaz frente a incrementos de caudal estacionales en el río Chucchun.
El estudio se compone de una serie de recomendaciones, basadas en:
x La inspección visual realizada durante la visita a la zona, realizada el día 16 de Agosto de 2012 por parte de Javier García Hernández, del Centro de Investigación en medio alpino (CREALP), y Sebastián Guillén Ludeña del Laboratorio de Construcciones Hidráulicas (LHC) de la EPFL, acompañados por David Ocaña y Cesar Gonzáles de CARE-Huaraz, y Luis Meza de la Municipalidad de Carhuaz.
x La evaluación de las medidas propuestas mediante simulaciones hidrodinámicas.
Este estudio tiene como única finalidad la proposición de una serie de actuaciones y el estudio de su eficacia frente a incrementos de caudal. El coste económico, los condicionantes geológico - geotécnicos para la implantación de dichas actuaciones, su diseño estructural, así como otros condicionantes que no sean puramente hidráulicos, quedan fuera del alcance de este estudio y no han sido considerados.
Si finalmente estas actuaciones son aceptadas y se decide su construcción, será ineludible el desarrollo de un proyecto de ingeniería civil basado en el presente estudio. Tal proyecto estaría a cargo de la municipalidad. Los expertos del proyecto Glaciares 513 estarían dispuestos, si es necesario y en la medida de lo posible, a dar consejo sobre los avances y las mejoras del mismo.
2. SITUACIÓN ACTUAL
2.1. Ubicación La obra de toma de Carhuaz se encuentra en la cuenca del río Chucchún, en una zona denominada Pampa Shonquil. La obra de captación consiste en un pequeño azud y un canal lateral por el que se conduce el agua hasta la zona de tratamiento (ver Figura 1 y Figura 2).
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Figura 1. Vista en planta de la obra de captación de agua potable de Carhuaz.
Figura 2. Vista desde aguas arriba de la captación.
2.2. Caudales de diseño El caudal del río Chucchun es de unos 1.200 l/s (1,2 m3/s) en épocas de estiaje, según la información de la Figura 3.
Azud
Canalización
Captación
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Figura 3. Imagen extraída de la propuesta de defensa de la captación (Ver anejo 1). En la figura se indica que el caudal del Río es de 1.200 l/s (1,2 m3/s) en época de estiaje.
De acuerdo con la información proporcionada por el personal de CARE y de la Municipalidad, la obra quedó anegada de lodo y barro en 2010 debido a una crecida del río Chucchún (ver Figura 4). Este hecho provocó el desabastecimiento de agua potable a la población de Carhuaz.
Figura 4. Vista de la captación durante la avenida del 2.010. Imagen facilitada por D. Luis Meza de la Municipalidad de Carhuaz.
Observando la Figura 4, se puede apreciar que el agua desbordó a ambos lados de los muros del azud de la captación, anegando en la margen derecha la canalización y la zona
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de tratamiento de agua potable. El agua también desbordó por la margen izquierda aunque no afectó a ninguna infraestructura.
Se deduce por tanto, que la zona a proteger es la margen derecha; si bien la izquierda podría acondicionarse como cauce secundario para avenidas con caudales superiores al admitido por el encauzamiento del azud (ver Figura 5 y Figura 6).
Por otro lado, la mejora de la margen derecha gracias al muro de protección debería de mejorar el encauzamiento del agua hacia aguas abajo.
Queda por determinar los caudales de diseño de las medidas de protección. Ante el desconocimiento sobre la existencia de estudios o datos que permitan una estimación más precisa de dichos caudales de avenida, en este estudio, se han considerado los siguientes caudales:
1. Caudal de estiaje: 1,2 m3/s. 2. Caudales de avenida: 2,5; 5,0; 10,0 y 20,0 m3/s.
Figura 5.Vista en planta de la captación. La zona de cuadros representa la zona a proteger frente a inundaciones.
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Figura 6. Perspectiva desde aguas debajo de la obra de captación. La zona sombreada representa el área a proteger frente a inundaciones.
2.3. Simulación de la situación actual Tomando como base el levantamiento topográfico facilitado por la Municipalidad de Carhuaz con curvas de nivel cada 0,50 m, se ha generado un modelo digital del terreno que constituye a su vez, la geometría sobre la que se realizan las simulaciones hidrodinámicas 2D mediante el programa IBER [1] en su versión 1.9.
Como caudales se han utilizado el caudal de estiaje y los 4 caudales de avenida definidos en el epígrafe 2.2.
Los resultados obtenidos para la situación actual son las siguientes zonas de inundación y alturas de agua (calados):
Zona a
proteger
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Figura 7. Altura de agua (calado), en m, en la zona de la captación para un caudal constante de 1,2 m3/s. Para este caudal, el agua desborda por la margen derecha de la toma de agua y afecta ligeramente a la canalización.
Figura 8. Altura de agua (calado), en m, en la zona de la captación para un caudal constante de 2,5 m3/s. Notar que para este caudal, el agua fluye por ambos lados de los muros de la toma de agua y afecta a la canalización
de agua potable.
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Figura 9. Altura de agua (calado), en m, en la zona de la captación para un caudal constante de 5,0 m3/s. El agua desborda por ambos lados de la captación, afectando a la canalización de agua.
Figura 10. Altura de agua (calado), en m, en la zona de la captación para un caudal constante de 10,0 m3/s. El agua desborda a ambos lados de la obra de toma e inunda prácticamente en su totalidad la canalización.
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Figura 11. Altura de agua (calado), en m, en la zona de la captación para un caudal constante de 20 m3/s. El agua desborda por ambos lados de la captación y anega la canalización y la zona de tratamiento.
El comportamiento del flujo de agua corresponde con el de las fotos visualizadas del evento del 2010 (Figura 4), aunque sin tener en cuenta, por desconocimiento, los valores reales de altura de agua, caudal y velocidad.
Como se puede observar en las figuras anteriores (Figura 7 a Figura 11), el agua comienza a desbordar mínimamente por la margen derecha de la toma para el denominado caudal de estiaje (1,2 m3/s), afectando a la zona a proteger, aunque sin afectar a la canalización. Sin embargo, a medida que el caudal va tomando mayores valores de 2,5; 5,0; 10,0; y hasta 20,0 m3/s, el agua desborda también por la margen izquierda, y va inundando progresivamente la canalización y la zona de tratamiento de agua potable.
El desbordamiento observado en la margen derecha para caudales de 1,2 m³/s y superiores, explica la socavación observada en el terreno que discurre bajo la obra de canalización de agua potable (ver Figura 12 y Figura 13). Es a través de esta canalización, fruto de la erosión, por donde se drena el caudal que desborda por la margen derecha de la captación.
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Figura 12. Vista de la erosión provocada por el agua bajo la canalización de la margen derecha de la captación.
Figura 13.Otra vista de la socavación provocada por el agua bajo la canalización de agua potable en la margen derecha de la obra de captación.
Zona erosionada
Zona erosionada
Zona erosionada
Canalización
Canalización
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3. SOLUCIÓN INICIAL Con el fin de evitar que el agua desborde por la margen derecha y afecte a la canalización y a la zona de tratamiento de agua potable se plantea, como primera posible solución, la construcción de dos muros que coronen a la cota 3586,50, aguas arriba y aguas abajo del muro de la margen derecha de la captación.
La cota de coronación de estos muros es 1,50 m mayor que la cota del terreno colindante a la captación (3.585,00 según la topografía facilitada), y ligeramente superior a la máxima cota de los muros del azud (3586,44 según la cartografía facilitada).
La misión de estos muros es evitar la entrada de agua a la denominada “zona a proteger” (ver Figura 5 y Figura 6). La disposición de los muros en planta se puede observar en la Figura 14.
Figura 14. Vista en planta de los muros propuestos como medida correctora. Ambos muros tienen como cota máxima 3586,50 a lo largo de toda su longitud.
Con esta nueva geometría, se realizan de nuevo las simulaciones y se obtienen los siguientes resultados:
Muros de
protección
Zona de
tratamiento
Captación
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Figura 15. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 1,2 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. En este caso, el agua no supera los muros de
protección.
Figura 16. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 2,5 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. El agua desborda por la margen izquierda de la
captación pero no supera los muros de protección de la margen derecha.
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Figura 17. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 5,0 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. Al igual que para 2,5 m3/s, el agua desborda por la
margen izquierda y no afecta a la “zona a proteger”.
Figura 18. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 10,0 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. El agua continúa desbordando por la margen
izquierda y sin sobrepasar los muros de protección.
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Figura 19. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 20,0 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. En este caso, el agua desborda ligeramente por
la margen derecha, afectando ligeramente a la zona a proteger.
Figura 20. Altura de agua (calado) en la zona de la captación durante la simulación para un caudal constante de 20,0 m3/s. El agua rebasa los muros de la margen derecha alcanzando alturas no superiores a 0,10 m.
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A partir de estos últimos resultados se comprueba que los muros de protección son eficaces para caudales inferiores a 20,0 m3/s. A partir de este caudal, el agua comienza a rebasar el muro situado más al norte, afectando a la “zona a proteger”.
Se puede observar que para caudales superiores a 2,5 m3/s, el agua alcanza cotas superiores a 3586,00 y el resguardo de los muros es inferior a 0,50 m en algunas zonas (ver Figura 16 a Figura 19).
También se aprecia que el muro de protección situado aguas abajo de la captación, que discurre paralelo a la canalización, puede ser optimizado disminuyendo su longitud total; puesto que, como se aprecia en las figuras anteriores (Figura 15 a Figura 20), el agua fluye alejada del muro aproximadamente a partir de la mitad de la longitud de la canalización.
4. SOLUCIÓN FINAL En este apartado se realiza una última proposición, con los siguientes cambios respecto a la solución analizada en el apartado anterior:
1. Incremento de la cota de los muros hasta la cota 3587,00. Esto implica incrementar en 0,50 m la altura de los muros de protección planteados en el apartado anterior y el recrecimiento en 1,56 m de, al menos, el muro existente de la margen derecha de la captación, cuya cota actual según la cartografía es de 3586,44.
2. Reducción de la longitud del muro de protección de aguas abajo. 3. Además, con el propósito de evitar posibles aterramientos que puedan obturar la
captación por el arrastre de sedimentos, se recomienda la construcción de un dique de gaviones aguas arriba de la captación. Este dique estará abierto por el cauce, de forma que el agua circule libremente para caudales pequeños. Durante avenidas, el dique disminuirá el caudal punta, así como la velocidad del agua, lo que provocará la deposición de una parte de los sedimentos transportados. La cota de coronación del dique es 3590,00, constante a lo largo de toda su longitud, teniendo en la zona del cauce una altura máxima de 2,5 m.
Con estas correcciones, se comprueba que los caudales de estudio no producen ningún desbordamiento en la margen derecha. Por ello, se presentan a continuación únicamente los resultados obtenidos para el caudal más desfavorable (20 m³/s):
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Figura 21. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 20,0 m3/s. Las cifras indican la cota alcanzada por el agua para dicho caudal. En este caso, el agua solamente desborda por la
margen izquierda, protegiendo completamente la zona de la margen derecha.
Figura 22. Vista en planta de la captación durante la simulación para un caudal constante de 20,0 m³/s. Las cifras indican la velocidad del agua, en m/s, en cada uno de los puntos. Se puede observar la disminución de la
velocidad provocada por el dique (en rojo) situado aguas arriba de la captación.
La Figura 21 muestra que la eficacia de los muros aumenta considerablemente y que, según los resultados de la simulación, se evita la inundación de la margen derecha de la captación.
Captación
Dique
Captación
Dique
Muros de protección
Muros de protección
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Se observa también que la cota máxima alcanzada por el agua en la proximidad de los muros de protección, no supera los 3586,50 m, por lo que queda un resguardo mínimo de 0,5 m.
Por otro lado, tal como se muestra en la Figura 22, el efecto provocado por el dique de aguas arriba es una ralentización del flujo, causando así la deposición de los sedimentos lejos de la captación. El volumen disponible para la deposición de sedimentos aguas arriba del dique es de aproximadamente 4.000 m³. Es importante señalar que posteriormente a una avenida, sería necesario retirar todos los sedimentos depositados aguas arriba del dique para conservar su eficacia ante otras futuras avenidas.
Se propone por tanto como solución final:
1. La construcción de dos muros de gaviones en la margen derecha de la obra de captación existente. (ver
2. Figura 23). La cota de coronación de estos muros de protección es la 3587,00 a lo largo de toda su longitud.
3. El recrecimiento del muro existente en la margen derecha de la obra de captación existente hasta alcanzar la cota 3587,00.
4. La construcción de un dique de gaviones aguas arriba de la captación. Este dique debe ser abierto en la zona del cauce para permitir que, para bajos caudales, el agua fluya libremente. La cota de coronación de este dique es, a lo largo de toda su longitud y a ambos lados del cauce, 3590,00 (ver
5. Figura 23). Esto proporciona un volumen de “almacenamiento” de sedimentos de aproximadamente 4.000 m³.
Figura 23. Vista en planta de la propuesta final con la longitud de cada tramo y cota de coronación de cada muro. La cota de coronación de cada muro/dique es constante a lo largo de toda su longitud.
Longitud = 20 m
Coronación = 3587,00
Longitud = 42 m
Coronación = 3587,00
Longitud = 30 m
Coronación = 3590,00
Longitud = 9 m
Coronación = 3590,00
Recrecimiento hasta la cota 3587,00
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Para la construcción de los muros de gaviones propuestos se recomienda realizar una pequeña excavación para cimentar dichos gaviones de forma que los que componen la primera fila en contacto con el terreno queden enterrados, como mínimo, hasta la mitad de su altura. Con esta medida se consigue una mayor estabilidad frente a la socavación de la base y posible colapso durante avenidas.
No obstante, tal y como se menciona al comienzo de este documento, quedan fuera del alcance de este estudio consideraciones de tipo estructural, geológico-geotécnicas y de evaluación de costes de las medidas propuestas.
Para terminar, conviene recordar otras medidas de reparación de la captación ya mencionadas en el “Informe de las misiones” de Octubre/Noviembre 2012 [2]. Estas medidas son la reparación del descalce de la losa de la obra de toma y del muro de la margen izquierda del río (ver Figura 24).
Figura 24. Vista de la obra de toma de Carhuaz desde aguas abajo. Se puede apreciar el descalce de la losa y del muro de la margen izquierda. (A la derecha en la imagen).
Este estudio ha sido realizado por Javier García Hernández por parte del CREALP y como coordinador del grupo LCH-CREALP, y por Sebastián Guillén Ludeña por parte del LCH. La modelización hidrodinámica y el análisis de los resultados han sido realizados por Sebastián
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Guillén Ludeña y, finalmente, la redacción del presente documento ha sido efectuada conjuntamente por ambos colaboradores.
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5. REFERENCIAS [1] www.iberaula.es.
[2] DEZA/SDC/COSUDE. Proyecto Glaciares. Informe de las misiones de Agosto 2012, Department of Geography, University of Zurich, September 2012.
6. DOCUMENTOS ADJUNTOS Como complemento al presente informe, se adjuntan los siguientes documentos en formato digital:
1. Anejo 1: o Propuesta defensa captación 1.pdf o Porpuesta defensa captación 2.pdf
2. Carpeta Topo_base.rar:
o Video_completo. Video de la altura de agua (calado) de toda el área cartografiada durante la simulación correspondiente a la situación actual, para caudales desde 1,2; 2,5; 5,0; 10,0 y 20,0 m³/s.
o Video_d12.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la situación actual, para un caudal uniforme de 1,2 m³/s.
o Video_d25.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la situación actual, para un caudal uniforme de 2,5 m³/s.
o Video_d50.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la situación actual, para un caudal uniforme de 5,0 m³/s.
o Video_d100.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la situación actual, para un caudal uniforme de 10,0 m³/s.
o Video_d200.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la situación actual, para un caudal uniforme de 20,0 m³/s.
o d12.jpg. Corresponde a la Figura 7. o d25.jpg. Corresponde a la Figura 8. o d50.jpg. Corresponde a la Figura 9. o d100.jpg. Corresponde a la Figura 10. o d200.jpg. Corresponde a la Figura 11.
3. Carpeta Topo_modificada.rar:
o Video_d12.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la solución estudiada en el epígrafe 3, para un caudal uniforme de 1,2 m³/s.
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o Video_d25.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la solución estudiada en el epígrafe 3, para un caudal uniforme de 2,5 m³/s.
o Video_d50.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la solución estudiada en el epígrafe 3, para un caudal uniforme de 5,0 m³/s.
o Video_d100.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la solución estudiada en el epígrafe 3, para un caudal uniforme de 10,0 m³/s.
o Video_d200.avi. Video de la altura de agua (calado) durante la simulación correspondiente a la solución estudiada en el epígrafe 3, para un caudal uniforme de 20,0 m³/s.
o Wl12.jpg. Corresponde a la Figura 15 o Wl25.jpg. Corresponde a la Figura 16. o Wl50.jpg. Corresponde a la Figura 17. o Wl100.jpg. Corresponde a la Figura 18. o Wl200.jpg. Corresponde a la Figura 19. o d200.jpg. Corresponde a la Figura 20.
4. Carpeta Solucion_FINAL.rar:
o Video_v12.avi. Video de la velocidad de agua durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para un caudal uniforme de 1,2 m³/s.
o Video_v25.avi. Video de la velocidad de agua durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para un caudal uniforme de 2,5 m³/s.
o Video_v50.avi. Video de la velocidad de agua durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para un caudal uniforme de 5,0 m³/s.
o Video_v100.avi. Video de la velocidad de agua durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para un caudal uniforme de 10,0 m³/s.
o Video_v200.avi. Video de la velocidad de agua durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para un caudal uniforme de 20,0 m³/s.
o Video_depth. Video de la altura de agua (calado), en la zona de la captación, durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para los caudales de 1,2; 2,5; 5,0; 10,0 y 20,0 m³/s.
o Video_completo. Video de la altura de agua (calado), para toda la zona cartografiada, durante la simulación correspondiente a la solución final del epígrafe 4, para los caudales de 1,2; 2,5; 5,0; 10,0 y 20,0 m³/s.
o Wl200.jpg. Corresponde a la Figura 21. o Vel200.jpg. Corresponde a la Figura 22.
5. Topo_final.dwg. Fichero de autocad que contiene la ubicación y la geometría en
planta de las modificaciones propuestas en el epígrafe 4. Este fichero no es un plano constructivo.
