Análisis comparativo de modelos hidráulicos 1D y 2D en Hec-Ras para el diseño del puente Cuncumén, IV región

Abstract

El diseño hidráulico de puentes es un aspecto fundamental para garantizar su seguridad y resiliencia frente a crecidas extremas, considerando que estas estructuras son vitales para la conectividad vial y el desarrollo económico de las comunidades. En Chile, los modelos unidimensionales han sido tradicionalmente la herramienta principal para este tipo de estudios, aunque presentan limitaciones para representar interacciones complejas del flujo. En este contexto, el presente trabajo aborda la comparación entre modelos hidráulicos unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D) aplicados al Puente Cuncumén, en la Región de Coquimbo, con el objetivo de evaluar sus diferencias, alcances y aplicabilidad en el diseño de infraestructura vial. El estudio se realizó bajo un régimen permanente y lecho fijo, considerando caudales de diseño y verificación asociados a períodos de retorno de 100 y 150 años, respectivamente. Para ello, se implementaron modelos 1D y 2D en el software HEC-RAS, complementados con un análisis de sensibilidad respecto a parámetros clave como caudal y coeficiente de Manning. Los resultados demostraron que el modelo 2D entregó niveles máximos de agua más altos en la zona del puente, mayores extensiones de inundación y una representación más detallada del campo de velocidades. Esto permitió identificar zonas de recirculación cercanas a los estribos y anticipar riesgos de socavación. Sin embargo, se encontró que el modelo 2D requiere información de entrada más compleja, mayor costo computacional y tiempos prolongados de calibración. En contraste, el modelo 1D entregó velocidades consistentemente mayores en la zona del puente, debido a las simplificaciones en el cálculo de la velocidad, lo que tiende a sobreestimarla frente al 2D. Este modelo se implementó de forma rápida, con menores requerimientos de información, y mostró mayor estabilidad, aunque con una precisión espacial más limitada(...).

The hydraulic design of bridges is essential to ensure their safety and resilience against extreme floods, considering that these structures are vital for road connectivity and economic development of communities. In Chile, one-dimensional models have traditionally been the main tool for this type of study, although they present limitations in representing complex flow interactions. In this context, the present work compares one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) hydraulic models applied to the Cuncumén Bridge, located in the Coquimbo Region, with the objective of evaluating their differences, scope, and applicability in the design of road infrastructure. The study was carried out under steady flow and fixed-bed conditions, considering design and verification discharges associated with return periods of 100 and 150 years, respectively. Both 1D and 2D models were implemented using HEC-RAS software, complemented by a sensitivity analysis with respect to key parameters such as discharge and Manning’s coefficient. The results showed that the 2D model predicted higher maximum water levels at the bridge, larger floodplain extensions, and a more detailed representation of velocity fields. This allowed the identification of recirculation zones near the abutments and the anticipation of potential scour risks. However, the 2D model was found to require more complex input data, higher computational cost, and longer calibration times. In contrast, the 1D model consistently produced higher velocities at the bridge section, due to simplifications in the velocity calculation that tend to overestimate magnitudes compared to the 2D model. The 1D approach was implemented faster, with lower data requirements, and showed greater stability, although with more limited spatial accuracy(...).