Diferencia entre revisiones de «Proyecto de obras de encauzamiento del río Magdalena, tramo Puerto Berrío - Barrancabermeja»

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A continuación se detallan los elementos, criterios y procesos seguidos para estimar el tipo de obras por realizar en el río, para tratar de inducir la formación de un canal de navegación permanente durante la época de aguas mínimas.  
 
A continuación se detallan los elementos, criterios y procesos seguidos para estimar el tipo de obras por realizar en el río, para tratar de inducir la formación de un canal de navegación permanente durante la época de aguas mínimas.  
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====Anchura de diseño del cauce para aguas mínimas====
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Se calculó la anchura mínima de diseño posible para el cauce de aguas bajas, basada en la geometría preponderante. La idea consiste en fijar dicha anchura mediante la construcción gradual de obras de encauzamiento de flujos mínimos, para que con la contracción, la dinámica del río excave hasta profundidad deseada para el canal navegable. A menor anchura del cauce, se requiere mayor cantidad de obras, pero se garantizan mayores profundidades. Dentro de ese cauce de aguas mínimas, se inscribe el canal de navegación, con la anchura suficiente para permitir el paso de embarcaciones con las máximas dimensiones esperadas. El procedimiento seguido se describe a continuación.
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:1. Con base en datos tomados de los planos se calculó el radio característico de las curvaturas del río y se definió como representativo el radio mínimo de 900 metros (3.000 pies).
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:2. Se determinó la anchura predominante de las secciones transversales en sitios donde  nunca ha existido problema de navegación por profundidades. Con la curvatura mínima adoptada, se trazaron plantas con anchuras de 300 m y 500 m  para el cauce de aguas mínimas, siguiendo la forma general del alineamiento actual y evitando al máximo los cortes y rectificaciones.
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:3. Mediante curvas empíricas desarrolladas por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (Ver Figura 2 ES LA FIGURA 5.5 DEL INFORME 2), se determinó el ancho de canal navegable necesario para que el máximo convoy de los que circulan por el río, compuesto por un remolcador y 6 botes, con dimensiones máximas (en conformación de puya R-2B-2B-2B) pueda navegar fácilmente por las curvas de 900 metros de radio, en viaje de bajada. Esta anchura es de 76 metros, la cual sería la máxima posible en curvas para el sector considerado, para una sola vía, pero  permite perfectamente el cruce de los convoyes en los alineamientos rectos. 
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:4. Se dibujaron secciones transversales representativas del río en el sector estudiado (Berrío – Barrancabermeja) y se determinó para cada sección, la profundidad bajo el nivel de reducción en el punto con fondo más alto del canal navegable. A partir de esta línea se calcularon los valores de la conductividad por fuera de la anchura de cauce mínimo, hasta las orillas y por debajo de la línea de cauce lleno.
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Revisión del 16:38 29 dic 2006

Obras de control de caudales de verano

En este capítulo[1] se describen las características técnicas del trabajo por realizar para el encauzamiento de las aguas bajas del río Magdalena en el tramo Barrancabermeja - Puerto Berrío, a fin de optimizar la navegabilidad de las embarcaciones de diseño en épocas de verano.

Es necesario subrayar que el proyecto no contempla cierre de brazos ni de madreviejas activas para las aguas medias y altas del río, las cuales seguirán transitando por el cauce mayor, tal como se explica a continuación.

Los aspectos técnicos generales para este proyecto fueron definidos y detallados en el Estudio de demanda de transporte del Sistema Fluvial del Rio Magdalena elaborado para Cormagdalena por HE-SDG 2001. Los aspectos de ingeniería están contenidos en los Informes de Fase 1 y de Fase 2, de donde se toman los criterios básicos y se adaptan los puntos pertinentes al tramo en estudio.

A continuación se presentan, en primer lugar los parámetros de diseño para las necesidades de navegación fluvial, tales como nivel de referencia, embarcación de diseño y requerimientos geométricos del canal navegable; posteriormente, los conceptos fundamentales de caracter hidráulico para el manejo de los caudales de invierno sin alterar el comportamiento potamológico general; un estimativo de la capacidad máxima de transporte en las condiciones óptimas que pueden lograrse en el tramo Puerto Berrío – Barrancabermeja. Finalmente, se describen y detallan los diversos tipos de estructuras diseñadas para las diferentes funciones de control hidráulico de las aguas bajas y de protección de las orillas.

Es importante señalar que debido a las características dinámicas de cambio permanente en las condiciones del río (alineamientos, anchuras, erosión y depósito, localización del thalweg o línea de mayores profundidades, abandono de cauces, etc), no se justifica que los diseños sean indicados y calculados de manera estricta para un sitio determinado. Existe la inmensa posibilidad de que, una vez surtidos todos los trámites de aprobación, licitación, contratación y alistamiento, las condiciones puntuales hayan cambiado para ese determinado sitio. Por esta razón, los diseños se entregan de manera conceptual y aproximada, pero con todos los criterios y elementos para que puedan ser ajustados por la interventoría a las condiciones reales que llegaren a encontrarse en el terreno, al momento de iniciar la construcción de las obras.

Parametros de diseño

A continuación se detallan los parámetros de diseño a saber: (i) nivel de referencia (ii) condiciones actuales del canal navegable y (iii) embarcaciones de diseño.

Nivel de referencia

Para el diseño conceptual se utilizaron los planos en escala 1:25.000 suministrados por Cormagdalena, elaborados por el Laboratorio de Ensayos Hidráulicos (LEH – UN: Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá)] y el Laboratorio de Ensayos Hidráulicos de Las Flores (LEH – LF, Universidad del Norte, Barranquilla). El nivel de referencia (NR) para el tramo en estudio, está definido como el nivel de aguas bajas que es igualado o superado el 95% del tiempo. Bajo este nivel de aguas se busca mantener la profundidad mínima necesaria para el paso de la embarcación de diseño.

Los datos sobre los NR en Barrancabermeja y Puerto Berrío son tomados de la información del IDEAM. Los abscisados corresponden a los planos del LEH – LF según se muestra a continuación (Cuadro 1).

Cuadro 1. Abscisados y nivel de reducción en los dos puertos extremos del tramo en estudio
Estación Abscisa
(km)
NR
(m s.n.m.)
nivel mínimo registrado
(m s.n.m.)
Puerto Berrío 770 + 000 107,07 106,55
Barrancabermeja 667 + 000 71,77 71,02
Fuente: LEH – UN (Tablas 3.2 y 3.3, Estudio de Caracterización... diciembre, 2000)


La pendiente hidráulica promedia del tramo se estima en 0,30 metros por kilómetro.

Condiciones actuales del canal navegable

Las condiciones de navegación actuales para embarcaciones mayores, para el tramo en estudio, son las siguientes :

Calado disponible en verano 1,50 m (5 pies)
Anchura del cauce en aguas mínimas Variable entre 600 m y 2.400 m
Anchura de solera canal navegable 60 m
Velocidad promedio del agua en el canal aproximadamente 1,5 m/s

La profundidad objetivo para el año 2019 es de 2,10 m (7 pies)

Embarcaciones de diseño

El transporte en el río Magdalena es prestado por empresas de carácter privado. Las empresas deben solicitar licencia ante la Dirección de Transporte Fluvial del Ministerio de Transporte, estar registradas y demostrar su capacidad para mantener el servicio.

La flota fluvial existente para cargas mayores ha sido adaptada para la anchura de canal disponible y la profundidad confiable durante la mayor parte del año, para los diversos tramos del río. Hasta la fecha, el mayor tráfico se desarrolla en el tramo entre Barrancabermeja y Cartagena. Las dimensiones típicas de las barcazas utilizadas con mayor frecuencia (95%) en dicho tramo, son las siguientes:

Calado 1,80 m (6 pies)
Manga 10 m a 13 m
Eslora 45 m a 60 m

La profundidad mínima necesaria para que las barcazas puedan navegar a carga plena es de 2,10 m (7 pies) que incluyen los 1,8 m (6 pies) del calado más 0,3 m (1 pie) de profundidad como margen de navegación.

En el Cuadro 2. se muestra la nomenclatura usada para las diferentes conformaciones de convoyes. En el Cuadro 3., las dimensiones típicas de los convoyes más frecuentes en el río para los diversos tramos.

Cuadro 2. Nomenclatura de convoyes de carga
Configuración Nombre) Forma del convoy
Remolcador + una barcaza R-B [imagen:R-B]
Remolcador + dos barcazas en paralelo
(pacha)
R-2B [imagen:R-2B]
Remolcador + dos barcazas en serie
(puya)
R-B-B [imagen:R-B-B]
Remolcador + cuatro barcazas
en dos hileras de a dos
R-2B-2B [imagen:R-2B-2B]
Remolcador + seis barcazas
en tres hileras de a dos
R-2B-2B-2B [imagen:R-2B-2B-2B]
Remolcador + seis barcazas
en dos hileras de a tres
R-3B-3B [imagen:R-3B-3B]
Fuente:HE-SDG 2001


El convoy más largo (R-2B-2B-2B), alcanza una longitud total del orden de 254 m, con una anchura total de 26 m. Con los sobreanchos necesarios para la seguridad de la operación, la anchura total mínima del canal navegable para una sola vía de este convoy debe ser de 40 m.

Por su parte el convoy más ancho (R-3B-3B) exige una anchura en la solera del canal del orden de 60 m para su navegación segura.

Cuadro 3. Dimensiones y conformación típicas de los convoyes más grandes que operan actualmente en el río Magdalena
dimensiones del convoy La Dorada -
Pto. Berrío
Pto. Berrío -
B/bermeja
B/bermeja -
costa norte
remolcador eslora (m) 22 32 36
manga (m) 4,8 6,3 11,0
potencia (HP) 800 1.440 2.100
barcaza eslora (m) 45 53 60
manga (m) 10,5 11,2 12,7
longitud total (m) contra corriente 112 138 216
con la corriente 67 138 156
anchura total (m) contra corriente 10,5 22,5 25,4
con la corriente 21 22,5 38,1
capacidad transportadora (t) contra corriente[2] 750 2.650 5.500
con la corriente - - 6.600
composición típica
(ver cuadro 2.)
contra corriente R-B-B R-2B-2B R-2B-2B-2B
con la corriente R-2B R-2B-2B R-3B-3B
Fuente:HE-SDG 2001


La capacidad de transporte de las barcazas varía entre 100 y 1.200 t/barcaza. La potencia de remolcadores es del orden de 2.000 HP. Para seis barcazas, la capacidad total usualmente utilizada por convoy es de 6.000 toneladas. En épocas de aguas bajas, se acostumbra cargar las barcazas a menor capacidad, para obtener un menor calado.

Para el tramo entre Barrancabermeja y Puerto Berrío, se usan hoy en día remolcadores y barcazas de menor tamaño. Es frecuente también cargar las barcazas grandes por debajo de su capacidad para obtener menor calado. Se considera normal el tráfico de convoyes hasta de 3.000 toneladas en este tramo, en configuración R-B y R-2B, con remolcadores del orden de 1.400 HP.

Aunque en el tramo entre Puerto Berrío y Puerto Salgar/La Dorada, han navegado embarcaciones y convoyes R-B hasta de 1.000 toneladas, en la actualidad no hay navegación permanente, salvo un transporte de productos minerales desde Puerto Nare hacia la costa Caribe, mediante convoyes R-B de 800 toneladas.

En el presente proyecto se busca optimizar el tramo del río para que entre Barrancabermeja y Puerto Berrío transite en el futuro inmediato, como convoy de diseño, el tipo R- 2B-2B-2B, con capacidad nominal del orden de 6.000 toneladas por convoy.

Para el futuro, puede ser que se incorporen al río embarcaciones diferentes, con calados mayores o menores que los actuales o que requieran conformación diferente de los convoyes o unidades autopropulsadas de gran capacidad.

Ante la incertidumbre en cuanto a la flota del futuro para el río Magdalena (que finalmente será determinada por el mercado y el comportamiento de la demanda y las facilidades de la oferta), se ha adoptado el criterio de definir, por una parte, un escenario base para el canal navegable (en su condición actual); y al otro extremo, un escenario máximo posible dentro de las condiciones físicas y de acuerdo con las obras de ingeniería que, dentro del estado actual de conocimiento, se pueden acometer con razonable seguridad.

Dentro de estos dos escenarios, (el actual y el ideal), se podrán inscribir diversas etapas de expansión gradual y la oferta se irá adaptando a las exigencias de la demanda. En tales condiciones, se podrá llegar al estado ideal en que las embarcaciones se vayan adaptando al río disponible, mientras el río va siendo adaptado gradualmente en función de la demanda.

En el estudio de demanda HE-SDG 2001 se analizaron en detalle las diversas alternativas en la conformación de la flota, aprovechamiento de las anchuras disponibles, cambio de flotas para diversos tramos del rio, etc. Las soluciones diferirán en cuanto al número de contenedores susceptibles de ser transportados por año por cada tipo de convoy y la selección final la hará la empresa privada, en función de los costos involucrados.

Metodología empleada para el diseño de las obras

El diseño de las obras para mejoramiento del canal navegable ha sido adaptado del procedimiento usado en el río Mississippi y sus tributarios, por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de América (USACE), bajo la supervisión de la Environmental Protection Agency (EPA). Este procedimiento ha sido puesto en práctica de manera consistente desde mediados del siglo XX y ha demostrado ser el más efectivo en términos de costos.

La metodología se basa en procedimientos matemáticos y empíricos que utilizan datos existentes sobre el río para establecer los criterios de diseño. Se parte del principio de reconocer que el sistema existente en el río tiene ya incorporadas, en grado cuasi – infinito, todas las variables matemáticas, tales como: la hidrografía permanentemente variable; sedimentos variables en tamaño y en su composición de fondo y en suspensión; dinámica permanente en la geometría plana (alineamientos y curvaturas); materiales variables de orillas, pendientes, etc. Por consiguiente, si se usa la información procedente del mismo sistema natural del río para desarrollar los criterios de diseño, se estarán incorporando todas las variables del sistema, conocidas o desconocidas y con ello se estará incrementando el rango de certeza en los diagnósticos.

El método general se basa en la determinación del valor numérico predominante de la conductividad hidráulica (hydraulic conveyance en la literatura en inglés) en las diversas secciones transversales del río, en las condiciones de cauce lleno, cuyo caudal se considera predominante y es el más representativo para la dinámica geomorfológica del cauce (Petts, Calow 1996). Las modificaciones antrópicas que se introduzcan en la sección geométrica (mediante diques y dragados) para buscar la formación de un canal navegable permanente, deben respetar el valor original de la conductividad hidráulica en la nueva forma geométrica inducida.

K = Ad2/3

En donde:

K = conductividad hidráulica en m4/3)

se define como el producto Ad2/3, (donde A es el área de la sección transversal en m2, d es la profundidad en m; la conductividad resulta en m4/3), de la sección gemométrica por debajo de un nivel de aguas igual al nivel de aguas mínimas de referencia más una altura de lámina de varios metros, que depende de la sección considerada (ver Figura 1.). Esta altura de lámina sobre el nivel de referencia (o nivel de reducción) representa aproximadamente una altura a “banca llena”, la cual es a su vez representativa del caudal dominante en la configuración de las características geométricas del cauce.

Sección típica de canal navegable con anchura controlada
Wam = Anchura del río en aguas mínimas controladas (en m) > anchura del canal navegable
Nr = nivel de referencia o nivel de reducción en m
A = área de la sección transversal en m2
d = profundidad en m; conductividad (K) en m4/3


En la figura 1 se muestran los elementos que intervienen en el cálculo numérico. La idea central es que el área que se quita por los diques y enrocados, sea adicionada por el trabajo natural del río para conservar el mismo valor numérico de la conductividad (en m4/3). Inicialmente y para acelerar el proceso, se acostumbra realizar un dragado de inducción que el mismo río se encargará de mantener.

La selección de la conductividad hidráulica como parámetro del diseño se basa en estudios de Anding (1970), quien demostró la consistencia existente en la conductividad hidráulica entre los cruces y las curvas para este caudal dominante y en los estudios de Biedenharn (1987) que demuestran que la gran mayoría del sedimento total es transportada por los estados de banca llena o menores. El término Ad2/3 es derivado de la fórmula de Manning para el caudal, donde d (profundidad) reemplaza en la práctica al radio hidráulico, en ríos como el Magdalena en su sector medio, cuyo ancho es muchísimo mayor que la profundidad.

Dicho en otras palabras, para un caudal constante (de agua más sedimentos), la conductividad será aproximadamente la misma en todas las secciones. No es exactamente igual, porque el caudal no es nunca constante en un río aluvial, además de que en cualquier momento la sección está en proceso de erosión o de sedimentación, dependiendo del estado hidrográfico en el momento anterior, por lo cual nunca tiene el tiempo necesario para ajustarse a las nuevas condiciones.

No obstante, los estudios continuos durante casi 30 años en el sistema del Mississippi muestran una razonable consistencia entre la conductividad hidráulica y las condiciones morfológicas del canal navegable para todas las secciones en el río, lo cual indica que el caudal es esencialmente proporcional a la conductividad hidráulica y se infiere que si se da tiempo para que un caudal determinado uniformice el cauce, todas las secciones transversales se ajustarán a esta condición. Los estudios de campo también han demostrado que la preponderancia de erosión o de sedimentación en una sección individual, tiende a ocurrir en las áreas ocupadas por el canal principal, mientras en los canales secundarios de la sección, la dinámica es mucho menos notoria.

Es importante señalar que, de esta manera, se permite que el flujo natural hidrológico del río continúe funcionando de acuerdo con sus propias características. En otras palabras, con las obras diseñadas sólo se gobiernan las aguas bajas en épocas de verano y no se altera ni obstruye el paso de los caudales de aguas altas o de crecientes. Para emplear este enfoque empírico, es necesario reconocer también que:

  1. ocurre un cambio permanente en las secciones individuales del río para mantener uniforme su conductividad hidráulica;
  2. los valores de la conductividad hidráulica a cauce lleno son consistentes
  3. de los elementos que integran la ecuación del flujo hidráulico, sólo las dimensiones geométricas -alineamientos generales, anchura de canal y altura de diques- puede ser manejadas por la ingeniería; los demás elementos dependen de factores que escapan a su control, como el caudal (función de la hidrología en ríos con libre escorrentía), las características de los materiales del cauce y la pendiente longitudinal del río y del valle aluvial.

A continuación se detallan los elementos, criterios y procesos seguidos para estimar el tipo de obras por realizar en el río, para tratar de inducir la formación de un canal de navegación permanente durante la época de aguas mínimas.

Anchura de diseño del cauce para aguas mínimas

Se calculó la anchura mínima de diseño posible para el cauce de aguas bajas, basada en la geometría preponderante. La idea consiste en fijar dicha anchura mediante la construcción gradual de obras de encauzamiento de flujos mínimos, para que con la contracción, la dinámica del río excave hasta profundidad deseada para el canal navegable. A menor anchura del cauce, se requiere mayor cantidad de obras, pero se garantizan mayores profundidades. Dentro de ese cauce de aguas mínimas, se inscribe el canal de navegación, con la anchura suficiente para permitir el paso de embarcaciones con las máximas dimensiones esperadas. El procedimiento seguido se describe a continuación.

1. Con base en datos tomados de los planos se calculó el radio característico de las curvaturas del río y se definió como representativo el radio mínimo de 900 metros (3.000 pies).
2. Se determinó la anchura predominante de las secciones transversales en sitios donde nunca ha existido problema de navegación por profundidades. Con la curvatura mínima adoptada, se trazaron plantas con anchuras de 300 m y 500 m para el cauce de aguas mínimas, siguiendo la forma general del alineamiento actual y evitando al máximo los cortes y rectificaciones.
3. Mediante curvas empíricas desarrolladas por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (Ver Figura 2 ES LA FIGURA 5.5 DEL INFORME 2), se determinó el ancho de canal navegable necesario para que el máximo convoy de los que circulan por el río, compuesto por un remolcador y 6 botes, con dimensiones máximas (en conformación de puya R-2B-2B-2B) pueda navegar fácilmente por las curvas de 900 metros de radio, en viaje de bajada. Esta anchura es de 76 metros, la cual sería la máxima posible en curvas para el sector considerado, para una sola vía, pero permite perfectamente el cruce de los convoyes en los alineamientos rectos.
4. Se dibujaron secciones transversales representativas del río en el sector estudiado (Berrío – Barrancabermeja) y se determinó para cada sección, la profundidad bajo el nivel de reducción en el punto con fondo más alto del canal navegable. A partir de esta línea se calcularon los valores de la conductividad por fuera de la anchura de cauce mínimo, hasta las orillas y por debajo de la línea de cauce lleno.



Apostillas

  1. ^ . Documento elaborado por el ing. David Puerta Zuluaga en 05.-12.12.2006, revisado el 18.12.2006. Complementos y pequeñas modificaciones cosméticas de pregunta o aclaración elaboradas por LCGL.
  2. ^ . Se indica la capacidad transportadora de carga, diferente de la capacidad remolcadora que incluye el peso propio de los botes del convoy.