1. Educación

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PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
ESTUDIO DE SOCAVACIÓN AL PIE DE LAS PILAS DEL PUENTE NUEVO TONALÁ
López López Marco Rodrigo, Pedrozo Acuña Adrián y Breña Naranjo José Agustín
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar S/N, Edificio 5,
Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
[email protected], [email protected], [email protected]
1. Introducción
Las consecuencias registradas por la ocurrencia de eventos
hidrometeorológicos extremos, han dejado de manifiesto la
necesidad de estudiar con mayor detalle, la interacción entre la
infraestructura carretera con forzamientos hidrológicos
extremos. Esta interacción no se limita exclusivamente a la
suspensión de los servicios de comunicación terrestre por la
presencia de agua sobre las llanuras de inundación y caminos,
sino también incluye el impacto que la infraestructura
existente y futura, tiene y tendrá respecto al agravamiento de
las consecuencias esperadas en una región en particular (e.g.
severidad de la inundación). Diversos estudios han
demostrado que la presencia de ambas, carreteras y puentes,
pueden modificar los drenajes superficiales que se dan de
forma natural en una llanura o cuenca. Con el propósito de
generar una ministración más eficiente de los recursos
nacionales, es necesario reducir los costos que producen estos
eventos debido a los daños sobre caminos y puentes. En el
caso de puentes carreteros, es necesario llevar a cabo un
análisis del comportamiento hidráulico que tendrá la
estructura, en función de avenidas asociadas a lluvias
extremas. Cuando se presenta una avenida, aumenta la
velocidad del cauce en la sección del cruce del puente, por ser
generalmente menor el área hidráulica en esa zona. El
aumento de la velocidad provoca un incremento en la
capacidad de arrastre de la corriente, por lo que el fondo del
cauce se degrada. Si el nivel del fondo desciende, el área
hidráulica comienza a incrementar paulatinamente hasta que el
valor medio de la velocidad y la capacidad de arrastre
alcanzan un equilibrio (Darío Espinoza Figueroa, 2010).
Durante este proceso, se genera la socavación bajo pilas de
puentes, bordos, etc. En caso de no existir la revisión o el
mantenimiento adecuado, se puede presentar la falla de estas
estructuras, ocasionando su colapso.
En el año 2009, se presentó uno de los casos más recientes,
cuando debido a la socavación registrada en el puente “Tonalá
I” en el estado de Tabasco, este colapsó dejando sin
comunicación al centro con el sureste del país.
Inmediatamente se construyó un puente nuevo, para dar
continuidad al tránsito de vehículos en la zona.
Debido a este acontecimiento, el presente trabajo de
investigación incluye el estudio de las causas detrás del
colapso del puente Tonalá I (aguas abajo); así como la
revisión hidráulica de la estructura actual conocida como
Puente Nuevo Tonalá. Este trabajo presenta un análisis
comparativo de los resultados generados de la simulación
numérica por medio de un modelo hidrodinámico
bidimensional que determina la socavación en el lecho del río.
Los resultados así obtenidos serán comparados, a fin de
determinar el funcionamiento hidráulico de ambas estructuras,
el puente colapsado y el actual.
Este artículo está organizado de la manera siguiente: En la
sección 2 se presenta una breve descripción del área de estudio
y las consecuencias del colapso del puente Tonalá I. En la
sección 3 se describen los datos y la metodología usada en
este trabajo. En el punto 4 se describen los datos usados para
la construcción y puesta a punto del modelo. En la sección 5
se muestran los resultados por socavación; así como la
comparación entre las dos estructuras mencionadas en la
introducción de este trabajo. Y finalmente, en la sección 6 se
discuten los resultados y se establecen las conclusiones.
2. Área de Estudio
El área de estudio se ubica en la llanura del río Tonalá que
comunica los límites entre los estados de Veracruz y Tabasco
en México. El río Tonalá se localiza en los 18º 13’ n (UTM
2014528) y 17º 23' n (UTM 1922318) y 94º 08' o (UTM
380163) y 93º 45' o (UTM 420330). El río tiene su
desembocadura en el Golfo de México en la barra inmediata al
poblado de Tonalá en el estado de Veracruz. Los Puentes
carreteros que atraviesan el río Tonalá, forman parte
importante de la carretera Federal 180 CoatzacoalcosVillahermosa, ya que representan la principal vía de transporte
terrestre entre Veracruz y Tabasco.
Puente Nuevo
Tonalá
Ilustración 1. Zona de estudio.
En la Ilustración1 se muestra la zona de estudio, y los puentes
de Tonalá. En la imagen se observa el Puente Nuevo Tonalá
construido a 30 m de distancia del puente colapsado.
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El tipo de suelo del cauce del río Tonalá es de tipo arenoso y
granular, clasificado como un suelo homogéneo no cohesivo.
El puente Tonalá I, de 252 metros de longitud y 9.5 metros de
ancho, fue construido en 1958; constaba de siete tramos de
losa de concreto reforzado, apoyada sobre cuatro trabes
preesforzadas de 36 metros de longitud cada una. Los apoyos
estaban integrados por dos caballetes extremos y seis pilas
intermedias de concreto reforzado, cimentados en pilotes
metálicos de 0.61 metros de diámetro (DIARIO DE
XALAPA, 2009). La geometría de las pilas del puente era de
9.50 m de largo por 4.00 metros de ancho, con una
cimentación superficial en el lecho del río.
El 18 de julio del año 2009 alrededor de las 12:45 horas el
Puente Tonalá I se derrumbó a consecuencia de las intensas
lluvias. El puente “Tonalá I” tenía 51 años en funcionamiento;
y por lo tanto, fue rehabilitado (antes de su colapso) para
soportar las cargas máximas de los camiones más modernos
que transitaban por él.
Ilustración 3. Modelo digital del Puente Nuevo Tonalá.
La Ilustración 3 presenta un modelo digital en tercera
dimensión del puente Nuevo Tonalá. Donde las pilas centrales
se ubican en la zona más profunda del cauce.
Los apoyos del puente están formados por dos caballetes
extremos y cinco pilas intermedias de concreto reforzado,
cimentados con pilotes metálicos con el extremo superior
relleno de concreto reforzado en la zona usualmente sujeta a
variación de los niveles de agua (El Heraldo de Tabasco,
2009).
El puente fue inspeccionado en los años 1995, 1997, 1999,
2005, 2007 y 2008 conforme a las directrices del sistema de
puentes de México y las inspecciones revelaron que la
estructura se encontraba en buen estado físico.
Para el año 2009, de acuerdo con estudios de la Secretaría de
Comunicaciones y Transportes (DIARIO DE XALAPA,
2009), se determinó la presencia de socavación con una
profundidad de 11 metros, en dos pilas ubicadas en lo más
profundo del río. A pesar de las revisiones y del oportuno
mantenimiento, la estructura no fue capaz de resistir ante el
efecto natural de socavación ocasionado por las corrientes.
Ilustración 4. Pilas intermedias del Puente Nuevo Tonalá.
En la Ilustración 4 se muestra la conformación de la estructura
de las pilas del Puente Nuevo Tonalá. Las zapatas de las pilas
se encuentran apoyadas individualmente en nueve pilotes de
acero de 1.20 m de diámetro. Los pilotes se encuentran
desplantados a una profundidad máxima de -13 metros bajo el
nivel del mar.
3. Metodología
Ilustración 2. Colapso del Puente Tonalá I.
En la Ilustración 2 se muestra el puente Tonalá I después del
colapso. Debido a este suceso, el puente Tonalá II se habilitó
para funcionar en dos sentidos y dar alivio al tráfico de
automóviles a través del río.
Posterior al colapso del Puente Tonalá I, se llevó a cabo la
construcción de un puente nuevo, con nombre de proyecto:
Puente Nuevo Tonalá.
Descripción estructural del Puente Nuevo Tonalá
La estructura de este puente se levanta a 30 metros de
distancia de la estructura caída; consta de cinco tramos de losa
de concreto reforzado sobre trabes preesforzadas tipo
Nebraska, con una longitud total de 250 metros por 11 metros
de ancho.
A fin de determinar las consecuencias por socavación bajo las
pilas, asociadas a una avenida con periodo de retorno de 100
años, se utilizó un modelo hidrodinámico bidimensional que
resuelve las ecuaciones de aguas someras (DHI, 2011). Esto
permitió establecer los niveles y áreas de afectación bajo el
forzamiento de esta avenida.
En este trabajo se utilizó el Modelo Hidrodinámico
Bidimensional Mike 21 desarrollado por el DHI (Danish
Hydraulic Institute). Este modelo utiliza un mallado flexible y
ha sido desarrollado para ambientes oceanográficos, costeros y
estuarinos.
Con objeto de realizar un estudio eficiente y disminuir la
variabilidad de la información de entrada al modelo; se utilizó
la información de curvas de nivel pertenecientes al
levantamiento del proyecto “Puente Nuevo Tonalá”; esto con
el objetivo de realizar una construcción digital más confiable
del área de estudio y obtener resultados reales de las
consecuencias de socavación bajo las pilas del puente.
Para el modelo numérico se realizó el análisis hidrodinámico y
un estudio de transporte de sedimentos. El módulo de
transporte de arena (Sand Transport) de MIKE 21 describe
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erosión, transporte y deposición de arena bajo condiciones de
corriente y olas o corriente pura. Este módulo puede aplicarse
al estudio de problemas de ingeniería como estudios de
transporte de sedimentos para material no cohesivo (MIKE 21,
2009).
El transporte de sedimentos a causa de un flujo de agua, puede
presentarse en forma de carga de fondo y carga en suspensión,
dependiendo del tamaño de las partículas del material del
fondo del cauce y de las condiciones del flujo (Leo C. van
Rijn, 1984).
En este trabajo se utilizó un modelo de corriente pura. Para
este modelo, El cálculo del arrastre de fondo y en suspensión
se calculó de forma separada. Se utilizó una condición de no
equilibrio, donde las tasas de transporte se calcularon
considerando las condiciones en los pasos de tiempo
anteriores; además se incluyó el flujo helicoidal y la erosión
de bancos.
La teoría utilizada para el cálculo de transporte de arena fue la
de van Rijn para la carga de Fondo y para la carga en
suspensión la de Engelund and Hansen. Dentro de las
propiedades del sedimento, se asignó un diámetro de 2 mm
con una densidad relativa de 2.65.
Carga de Fondo
En la teoría de van Rijn se asume que la tasa de carga de
fondo puede ser descrita mediante dos parámetros
adimensionales, siendo un parámetro adimensional de
partícula (
y un parámetro de fase de transporte (T). Donde
el parámetro T expresa la movilidad de las partículas en
términos de la etapa de movimiento, relativo a la etapa crítica
para la iniciación del movimiento (Leo C. van Rijn, 1984). El
parámetro
se expresa de la siguiente manera:
(1)
Donde
es el tamaño de partícula, es es la densidad
relativa,
es la aceleración de la gravedad y
es el
coeficiente de viscosidad cinemática. La expresión matemática
para el parámetro T es la siguiente:
La tasa adimensional de transporte total Φt se calcula como:
(3)
Con
El número de Chezy y
(4)
Con
la carga total de transporte de sedimento y
g=aceleración de la gravedad. El esfuerzo cortante en el fondo
θ se define como:
(5)
Donde
es la velocidad cortante en relación con la fricción
total, es el diámetro del grano y es la densidad relativa del
material de fondo.
Modelo Hidrológico
Para la cuenca del río Tonalá, se realizó un análisis de
escurrimiento con el objetivo de encontrar el caudal que se
generó en la cuenca hidrográfica para el evento de
precipitaciones extraordinarias del 2009. Para el desarrollo del
modelo hidrológico, se usó el Modelo para Pronóstico de
Escurrimiento (MPE) desarrollado por el Instituto de
Ingeniería de la UNAM. Este modelo se desarrolló con el
objeto de pronosticar los escurrimientos de una cuenca
mediante un modelo de parámetros distribuidos (Domínguez
et al, 2008).
El hidrograma de diseño obtenido se utilizó para simular el
flujo en el área de estudio. La Ilustración 5 muestra el
hidrograma de diseño resultado del modelo hidrológico para
un periodo de retorno de 100 años.
(2)
Donde
es igual a la velocidad cortante en la
plantilla relacionada a los granos,
es el coeficiente de
Chézy relacionado a los granos, es la velocidad media del
flujo,
es la velocidad cortante crítica de acuerdo con el
número de Shields.
Carga en Suspensión
La fórmula de Engelund y Hansen solo predice la carga total,
sin embargo la fórmula de carga total aún puede ser aplicada
en MIKE 21 usando un factor de calibración ks para transporte
de en suspensión (MIKE 21, 2009).
Ilustración 5. Hidrograma de diseño para Tr= 100 años.
En la Ilustración 5 se muestra el hidrograma de diseño con un
periodo de duración de 27 días y un gasto pico de 1 718 m3/s.
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4. Puesta a punto del modelo numérico
Para este trabajo se realizaron dos simulaciones distintas:
1.-Análisis por socavación bajo las pilas del Puente Tonalá I
(puente colapsado)
2.-Análisis por socavación bajo las pilas del Puente Nuevo
Tonalá.
La primera estudia el caso de socavación para el puente
Tonalá I, colapsado en 2009; y la segunda corresponde a la
estructura actual, esto con el fin de realizar una comparación
entre los dos casos y estimar el comportamiento futuro del
actual puente.
Datos topográficos y batimétricos
La topografía fue idealizada a través de la construcción de
modelos digitales de elevación a partir de curvas de nivel de la
zona del proyecto Puente Nuevo Tonalá.
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En la Ilustración 7 se muestra la digitalización de las pilas, en
la imagen “a” se observa la geometría de pila (pila de punta
redonda) del puente Tonalá I; y en la “b”, los pilotes que
sostienen la zapata por pila del puente Nuevo Tonalá.
Construcción de la malla
La malla del modelo fue construida a través de distintos
subdominios mediante elementos triangulares. El número de
subdominios al igual que la resolución de los mismos fue
diferente para las dos simulaciones realizadas. La resolución
máxima fue asignada a las zonas de las pilas del puente; y la
variación de la resolución para los demás subdominios, se
estableció en función de las zonas de interés y calidad
requerida en los resultados.
Una vez definido el dominio de estudio y la información de
entrada al modelo, se construyeron los polígonos
correspondientes a las pilas del puente, con la geometría
correspondiente a cada caso (Ilustración 7).
Adicionalmente se agregó la información del modelo digital
de elevación (DEM) en forma de datos coordenados XYZ para
generar la triangulación y calcular la malla. Al generar la
interpolación de la malla se excluyeron los polígonos
correspondientes a las pilas, con el propósito de simular un
objeto solido (estructura) presente en la batimetría del río.
5. Resultados
Para llevar a cabo un análisis más objetivo, los resultados se
presentan en una serie de mapas de socavación e inundación.
En los mapas se comparan los tirantes y las velocidades
máximas del flujo; así como la socavación máxima presentada
(cambio en la plantilla del cauce) y la tasa de socavación. Esto
con el propósito de comparar los resultados entre los dos casos
de simulación descritos en la puesta a punto del modelo; y
esclarecer las causas del colapso del puente Tonalá I; así como
el funcionamiento hidráulico del puente actual.
Ilustración 6. Curvas del nivel de la zona de estudio.
En la Figura 6 se muestran las curvas de nivel utilizadas para
la construcción del modelo digital de elevación. La
información de las curvas de nivel se procesó y convirtió a un
archivo XYZ para la puesta a punto del modelo numérico.
Datos de digitalización de las pilas
Las pilas del puente fueron digitalizadas mediante polígonos,
asignándose la geometría perteneciente a cada caso de
simulación.
Ilustración 8. Modelo digital del terreno de la zona de estudio.
(a)
(b)
Ilustración 7. Digitalización de las pilas.
En la Ilustración 8 se observa la configuración del fondo del
cauce del río Tonalá. Las mayores elevaciones corresponden a
los terraplenes del antiguo puente (35-37 m), los cuales ya no
existen en la actualidad. El polígono amarillo representa al
Puente Tonalá I, colapsado en 2009. El polígono negro es el
Proyecto del Puente Nuevo Tonalá, el cual se construyó a 30
metros distancia del puente caído. Además se observa la
Ubicación y geometría de las pilas que sostienen a los puentes.
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MAPAS DE RESULADOS PARA ANÁLISIS POR SOCAVACIÓN
BAJO LAS PILAS DEL PUENTE TONALÁ I
MAPAS DE RESULADOS PARA ANÁLISIS POR SOCAVACIÓN
BAJO LAS PILAS DEL PUENTE NUEVO TONALÁ
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Ilustración 9. Mapas de resultados
h)
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De acuerdo con las Ilustraciones 9a, 9b, 9c y 8d se observa
que la profundidad total del agua en el río aumenta para el
Puente Nuevo Tonalá, esto es debido a que la velocidad del
flujo disminuye, provocando un mayor remanso. Para el caso
del puente Tonalá I, la profundidad del agua disminuye por el
aumento en la velocidad del flujo. Esto comprueba que la
geometría de las pilas del puente que colapsó, generaba una
reducción del área hidráulica del río, provocando el aumento
de la velocidad en esa zona e incrementando la socavación al
pie de las pilas.
Es importante mencionar que cuando el puente Tonalá I
Colapsó en 2009, de acuerdo con estudios de la Secretaría de
Comunicaciones y Transportes (SCT), se registró una
socavación de 11 metros en dos pilas ubicadas en lo más
profundo del río. En este trabajo se obtuvo una socavación
máxima de 1.40 metros. Sin embargo, el Puente Tonalá I
había sufrido el impacto de grandes avenidas, y los efectos
estudiados en este trabajo se vieron agravados con el paso de
los años, alcanzando la profundidad de socavación que
ocasionó su colapso.
Con base en la Ilustración 9e, se presentó una socavación de
1.40 metros aproximadamente en las pilas ubicadas en lo más
profundo del río (Puente colapsado). Esto debido al aumento
de la velocidad del flujo, lo que ocasionó un mayor esfuerzo
cortante en el fondo del cauce. Adicionalmente, se suman al
efecto de socavación, las acciones que ejerce la geometría de
la pila, ocasionando el flujo helicoidal hacia su base.
En este trabajó se demostró que el puente Nuevo Tonalá no
fallará por socavación. Su mejor diseño hidráulico, y su
cimentación más profunda, garantiza una mayor seguridad. No
obstante se recomienda el continúo mantenimiento y revisión
estructural del puente en temporada de avenidas.
En la Ilustración 9f se observa que para la estructura actual del
puente, la socavación disminuye considerablemente,
presentándose socavaciones máximas del orden de 35 a 45 cm.
Esto demuestra que las pilas actuales no representan una
mayor obstrucción del área hidráulica del río. Entonces el paso
del flujo se desarrolla con mayor facilidad a través de la zona,
y con una velocidad de arrastre menor a la que se presentó
para el Puente Tonalá I.
En la Ilustraciones 9g y 9h, se muestran los mapas con las
tasas de socavación máximas. Se puede observar que para la
imagen 9g, se alcanza una socavación de 10.80-12.00 m al día
en los taludes del cauce. Esto se produce por la erosión de
bancos, y al aumento en la velocidad del flujo producida en las
márgenes del río.
Cuando el puente Tonalá I colapsó quedó en pie una de las
pilas de los extremos, en esa zona, la cimentación era más
profunda, lo que permitió una mejor estabilidad de la
estructura, a diferencia de las pilas centrales, las cuales
contaban con una cimentación superficial.
En la Ilustración 9h se observa la reducción de la tasa de
socavación, alcanzando niveles máximos de 6.00-7.00 metros.
Esto demuestra que la estructura actual está mejor diseñada en
función de su comportamiento hidráulico.
6. Conclusiones
El colapsó del puente Tonalá I evidentemente fue causado por
la socavación al pie de las pilas, pero el aumentó en la tasa de
socavación no fue generada únicamente por las grandes
avenidas asociadas a las lluvias extremas de los años 2007,
2009 y 2011. La falta de mantenimiento de la estructura, la
geometría de las pilas y la escasez de obras de drenaje en la
carretera Coatzacoalcos-Villahermosa, provocaron un efecto
sinérgico, agravando las consecuencias de los flujos de
inundación generados en la zona y por ende, de la socavación
en las pilas del Puente Tonalá I.
El Puente Nuevo Tonalá posee un mejor diseño en cuestiones
hidráulicas. Los pilotes de acero que soportan al puente
ayudan a reducir la velocidad del flujo, permitiendo el paso
del agua de manera más controlada y disminuyendo la
socavación. Adicionalmente, las pilas del puente Nuevo
Tonalá están hincadas a una mayor profundidad, lo que brinda
a la estructura una mayor estabilidad y garantía de que los
niveles de socavación registrados en años anteriores puedan
ser mitigados.
Por último, es importante mencionar que en adición a las tasas
de transporte de sedimentos, una simulación brinda las tasas
iniciales de los cambios en el nivel de la plantilla. Esto es
suficiente para identificar las áreas potenciales de erosión o
deposición, pero no puede tomar el lugar de un modelo
morfológico completo (MIKE 21, 2009).
Referencias
DHI, 2011. MIKE21 – Flow model Hydrodinamic module,
Scientific documentation, 60pp.
Darío Espinoza Figueroa, 2010, Consuelo Gómez Soberón
yJuan Javier Carrillo Sosa. VULNERABILIDAD POR
SOCAVACIÓN DE PUENTES CARRETEROS ENTRE
AVENIDA. Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural.
XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
DIARIO DE XALAPA, 2009. Causa del Colapso del puente
Tonalá. Basilio de la Vega, Agustín. Diario de Xalapa. 12 de
agosto de 2009 [citado el 23 de octubre del 2013].
http://www.oem.com.mx/oem/notas/n1281738.htm.
DIARIO PRESENTE, 2009. Derrumbe de Puente Tonalá
[citado el 14 de agosto del 2014]. Disponible en
http://www.diariopresente.com.mx/fotogaleria/21.0.1.1.0/derr
umbe-puente-tonala/
Dominguez et al., 2008. Dominguez M. R., Esquivel G. G.,
Mendez A. B., Mendoza R. A., Arganis J. M. L., Carrizosa E.
E., 2008. Manual del Modelo para pronóstico de
escurrimiento. Instituto de Ingeniería. Universidad Nacional
Autónoma de México. ISBN 978-607-2-00316-3.
El Heraldo de Tabasco, 2009. Humberto Santos.
Socavamiento del río Tonalá derrumbó el Puente: SCT. El
Heraldo de Tabasco. Disponible en World Wide Web
http://www.oem.com.mx/esto/notas/n1287115.htm
Leo C. van Rijn, 1984. Sediment Transport, Part I: Bed Load
Transport. J. Hydraul. Eng. 1984.110:1431-1456.
MIKE 21, 2009. Sediment Transport and Morphological
Modelling. User Guide. MIKE by DHI 2009.