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ÍNDICE GENERALPág. ÍNDICE GENERAL i ÍNDICE DE FIGURAS v ÍNDICE DE CUADROS ix I ASPECTOS GENERALES 1 1.1. INTRODUCCIÓN 1 1.2. METODOLOGÍA 2 1.3. ANTECEDENTES 3 1.4. Objetivos 4 1.4.1 Objetivo General 4 1.4.2 Objetivos Específicos 4 1.5. MATERIALES Y MÉTODOS 5 1.5.1 Información cartográfica 5 1.5.2 Información meteorológica 5 1.5.3 Aspectos metodológicos 5 1.6. Características generales del área de estudio 5 1.6.1 Ámbito de estudio 5 1.6.2 Ubicación 5 1.6.2.1. Ubicación Política 6 1.6.2.2. Ubicación Geográfica 8 1.6.3 Metodología de Trabajo 8 1.6.3.1. Actividades Preliminares 8 1.6.3.2. Trabajo de Campo 9 1.6.3.3. Trabajo de Gabinete 9 1.7. SÍNTESIS DE LOS TRABAJOS REALIZADOS 10 1.7.1. Problemática 11 II. INFORMACIÓN BÁSICA 18 2.1. Definiciones 18 2.2. Metodología de la cuenca 20 2.2.1. Generalidades 20 2.2.2. Clasificación de modelos de cuenca 21 2.3. Modelamiento hidrológico 22 2.3.1. Con información hidrométrica 22 2.3.2. Con información pluviométrica 22 2.4. Modelamiento hidráulico 23 2.4.1. Flujo gradualmente variado 23 2.4.2. Condición de frontera 24 2.4.3. Caudales 24 2.4.4. Modelo digital del terreno (MDT) 24 2.4.5. Sistemas de Información Geográfica 24 2.4.6. Coeficiente de rugosidad 25 III. CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA 26 3.1. Las subcuencas del proyecto 26 3.1.1. Cuencas aportantes 26 3.1.1.1. Morfología de las microcuencas 27 3.1.1.2. Parámetros de forma de la cuenca. 28 3.1.1.3. Parámetros de relieve de la cuenca. 30 3.1.1.4. Parámetros de la red hidrográfica 31 IV. ESTUDIO HIDROLÓGICO 44 4.1. Generalidades 44 4.2. Análisis de los datos hidrológicos 44 4.3. Análisis de la información pluviométrica 45 4.3.1. Selección del Periodo de Retorno 48 4.3.2. Análisis estadístico de datos hidrológicos. 50 4.3.2.1. Ajuste a una distribución de probabilidad. 50 4.3.2.2. Modelos de distribución. 51 4.3.2.2.1. Distribución normal. 51 4.3.2.2.2. Distribución Log Normal. 51 4.3.2.2.3. Distribución Gumbel. 52 4.3.2.2.4. Distribución Log Pearson III. 53 4.3.2.3. Pruebas de bondad de ajuste 53 4.3.2.3.1. Prueba Kolmogorov – Smirnov 53 4.3.3. Determinación de la Tormenta de diseño 59 4.3.4. Hietogramas de Diseño 59 4.3.4.1. Método de Bloques Alternos 59 4.3.5. Curvas de Intensidad – Duración - Frecuencia 60 4.3.5.1. Método de Dyck Peschke 60 4.4. GENERACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS 65 4.4.1. Generación de Caudales - Método hidrológico con HEC-HMS 65 4.4.1.1. Métodos de cálculo elegido 65 4.4.1.1.1. Métodos de número de curvas de SCS 65 4.4.1.1.2. Hidrograma unitario del SCS 68 4.4.1.1.3. Método de muskingum 68 4.4.1.2. Resultados del Software HEC HMS. 69 4.4.1.3. Precipitación efectiva, retenciones y escorrentía directa 73 4.4.1.4. Caudales máximos o caudales picos 74 V. ESTUDIO HIDRÁULICO 76 5.1. Estudio hidráulico y sus propiedades y definiciones 76 5.1.1. Propiedades Físico-hidráulicas de los canales abiertos. 76 5.1.2. Características físico-hidráulicas de un canal 76 5.1.3. Clasificación de flujo. 78 5.1.4. Estado y régimen del flujo. 81 5.1.5. Cálculo del tirante normal 82 5.1.6. Consideraciones básicas de diseño 83 5.1.7. Captación en zona vehicular 83 5.1.8. Orientación del flujo 83 5.1.10. Diseño hidráulico de la cuneta rural. 85 5.1.29.1. Perfil de flujo 96 5.1.29.2. Socavación 96 5.2. Diseño hidráulico 103 VI. CONCLUSIONES 121 6.1. Caudales máximos 121 6.2. Cunetas 122 6.3. Alcantarilla 123 6.4. Baden 124 6.5. Puentes 125 6.6. Socavaciones 126 VII. RECOMENDACIONES 127 ANEXOS 128 ÍNDICE DE FIGURASPág. Figura 1: Mapa Nacional 6 Figura 2: Mapa Provincial 7 Figura 3: Mapa Distrital 7 Figura 4: Vista satelital de la zona de estudio 8 Figura 5: Necesidad de Alcantarilla por contrapendiente 11 Figura 6: Riachuelo (Puente 03 proyectado) 12 Figura 7: Necesidad de Alcantarilla por existencia de humedal 12 Figura 8: Necesidad de Alcantarilla por el contrario pendiente 13 Figura 9: Necesidad de Alcantarilla por existencia de Riachuelo 13 Figura 10: Necesidad de Alcantarilla 14 Figura 11: Necesidad de Alcantarilla por Existencia de Humedales 14 Figura 12: Riachuelo (Badén proyectado) 15 Figura 13: Riachuelo (Alcantarilla proyectado) 15 Figura 14: Humedal (Alcantarilla proyectado) 16 Figura 15: Alcantarilla Proyectado 16 Figura 16: Río (Puente 02 proyectado) 17 Figura 17: Río (Puente 01 proyectado) 17 Figura 18: Diagrama de los términos de la ecuación de energía 23 Figura 19: Subcuencas Aportantes de la ruta de la Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato 27 Figura 20: Curva hipsometrica 30 Figura 21: Curva hipsometrica del puente 01 34 Figura 22: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 01 35 Figura 23: Curva hipsometrica del puente 02 36 Figura 24: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 02 36 Figura 25: Curva hipsometrica del puente 03 37 Figura 26: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 03 38 Figura 27: Curva hipsometrica del Baden 39 Figura 28: Polígono de frecuencia de altitudes del Baden 39 Figura 29: Vista satelital de la ubicación de las estaciones meteorológicas de la zona de influencia del proyecto 45 Figura 30 : Riesgo de por lo menos una excedencia del evento de diseño durante la vida útil 48 Figura 31: Ingreso de preciptacion mensual maxima de 24 horas al software hydrognomon 54 Figura 32: Análisis de precipitación máxima por diferentes distribuciones 55 Figura 33: Curva IDF 55 Figura 34: Curva IDF con las distribuciones seleccionadas 56 Figura 35: precipitaciones máximas consistentes y confiables 56 Figura 36: Curva Intensidad – Duración - Frecuencia 61 Figura 37: Hietograma de diseño TR= 50 años 62 Figura 38: Hietograma de diseño TR= 75 años 63 Figura 39: Hietograma de diseño TR= 150 años 63 Figura 40: Hietograma de diseño TR= 200 años 64 Figura 41: Hietograma de diseño TR= 500 años 64 Figura 42: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 01 (puente 01) 71 Figura 43: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 03 (puente 02) 71 Figura 44: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 16 (Baden) 72 Figura 45: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 29 (Puente 03) 72 Figura 46: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 01 (puente 01) 73 Figura 47: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 03 (puente 02) 73 Figura 48: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 16 (Baden) 74 Figura 49: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 29 (puente 03) 74 Figura 50: Caudal máximo de para el puente 01 75 Figura 51: Elementos geométricos de un canal, sección transversal 77 Figura 52: Elementos geométricos de un canal, sección longitudinal 77 Figura 53: Perfil longitudinal de un canal, mostrando flujo uniforme 78 Figura 54: Perfil longitudinal de un canal, mostrando flujo no uniforme. 79 Figura 55: Esquematización del flujo permanente 79 Figura 56: Esquematización del flujo no permanente 80 Figura 57: Flujo rápidamente variado 80 Figura 58: Flujo gradualmente variado. 81 Figura 59: Seccion tipica de cuneta triangular 87 Figura 60: Sección transversal del cauce 100 Figura 61: Sección transversal del cauce con socavación 100 Figura 62: Algunos casos de obstrucción de estribos 102 Figura 63: Seccion tipica de cuneta triangular 103 Figura 64: Sección típica de cuneta triangular y los parámetros de cálculo 104 Figura 65: Resultado de cálculo de la cuneta 104 Figura 66: Dimensiones máxima de la alcantarilla de 36 pulgadas 105 Figura 67: Dimensiones máxima de la alcantarilla de 48 pulgadas 106 Figura 68: Dimensiones de badén 107 Figura 69: Condiciones de contorno de aguas arriba y aguas abajo 107 Figura 70: Interfaz principal del software HEC-RAS 108 Figura 71: Geometría del cauce del río en estudio puente 01 108 Figura 72: Geometría del cauce del río en estudio puente 02 109 Figura 73: Geometría del cauce del río en estudio puente 03 109 Figura 74: Simulación Hidráulica con Hec-Ras (puente 01) 110 Figura 75: Simulación Hidráulica con Hec-Ras (puente 02) 110 Figura 76: Simulación Hidráulica conHec-Ras (puente 03) 111 Figura 77: Secciones transversales agua arriba 111 Figura 78: Secciones transversales (puente 01) 112 Figura 79: Secciones transversales (puente 02) 112 Figura 80: Secciones transversales (puente 03) 113 Figura 81: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 01) 113 Figura 82: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 02) 114 Figura 83: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 03) 114 Figura 84: Parámetros de socavación análisis 118 Figura 85: Socavación por ecuación de clear puente 01 118 Figura 86: Socavación por ecuación de clear puente 02 119 Figura 87: Socavación por ecuación de clear puente 03 119 Figura 88: Socavación por ecuación de clear puente 01 120 Figura 89: Seccion típico del puente 120 Figura 90: Sección típico de cunetas 122 Figura 91: secciones típicas de diseño hidráulico 124 Figura 92: Dimensiones de badén 124 Figura 93: Seccion tipico del puente 125 Figura 94: Socavación tipico de puentes 126 ÍNDICE DE CUADROSPág. Cuadro 1:Ubicación geográfica 8 Cuadro 2 : Coeficiente de rugosidad de Manning para Conductos cerrados 25 Cuadro 3: Factor de forma 29 Cuadro 4: Subcuencas aportantes a la ruta de estudio 33 Cuadro 5: Curva característica del puente 01 34 Cuadro 6: Curva característica del puente 02 35 Cuadro 7: Curva característica del puente 03 37 Cuadro 8: Curva característica del Baden 38 Cuadro 9: Parámetros de forma de las microcuencas 40 Cuadro 10: Parámetros de relieve de las microcuencas 41 Cuadro 11: Parámetros de la red de las microcuencas 42 Cuadro 12: Tiempo de concentración de las microcuencas 43 Cuadro 13: Registro de las estaciones Meteorológicas Utilizadas en la zona de estudio 45 Cuadro 14: Precipitación máxima de 24 horas para la zona de estudio 46 Cuadro 15: Precipitación máxima de 24 horas para la zona de estudio 47 Cuadro 16: Valores de Periodo de Retorno T (Años) 49 Cuadro 17: Valores máximos recomendados de riesgo admisible de obras de drenaje 49 Cuadro 18: selección de estaciones con programa Hidrognomon 4 57 Cuadro 19: Test de kolmogorov-Smirnov 58 Cuadro 20: Cálculo de intensidades por el método Dick Peschke 61 Cuadro 21 : Hietograma de diseño TR= 50, 75, 150 y 500 años 62 Cuadro 22: Clasificación de suelos a efectos de umbral de escorrentía 66 Cuadro 23: Números de curva de escorrentía para usos selectos de tierra agrícola, suburbana y urbana (condiciones antecedentes de humedad II, Ia = 0.2S). 67 Cuadro 24: Resultados en HEC HMS 70 Cuadro 25: Caudal máximo según HEC HMS 75 Cuadro 26: Coeficiente de rugosidad de Manning 84 Cuadro 27: Coeficiente de rugosidad de Manning 85 Cuadro 28: Velocidad Máxima para tuberías de alcantarillado (m/s) 86 Cuadro 29: Tabla de Cowan para determinar la influencia de diversos factores 95 Cuadro 30: Valores del coeficiente K1 102 Cuadro 31: Coeficiente de Contracción y expansión para flujo subcrítico 103 Cuadro 32: Dimesiones típicas de las cunetas 105 Cuadro 33: Dimensiones típicas de las alcantarillas 106 Cuadro 34: Dimensiones de badén 107 Cuadro 35: Reporte de resultados río del puete 01 115 Cuadro 36: Reporte de resultados río del puete 02 116 Cuadro 37: Reporte de resultados río del puete 03 117 Cuadro 38: Dimensiones de los puentes 120 Cuadro 39: Caudales de las cuencas aportantes en la ruta de intervención 121 Cuadro 40: Dimensiones de cunetas 122 Cuadro 41: Dimensiones de las alcantarillas 123 Cuadro 42: Dimension de badén 124 Cuadro 43: Diseño hidraulico de puentes 125 Cuadro 44: Socavación de puente 126 MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE KIMBIRI xii ASPECTOS GENERALES 1.1. INTRODUCCIÓN El presente estudio permitirá conocer los caudales, su comportamiento en la época de precipitaciones extremas en torno a la zona de estudio, el modelamiento hidrológico se hace bajo un concepto rural, el análisis de los parámetros meteorológicos, el análisis y tratamiento de la información pluviométrica, la determinación de los caudales de diseño, el análisis de máximas avenidas. Dicha información obtenida permitirá realizar un modelamiento hidráulico y una adecuada toma de decisiones en relación con el planteamiento de las obras de arte y sistemas de drenaje del proyecto: “Mejoramiento del camino vecinal entre las comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del Centro Poblado de Samaniato del distrito de Kimbiri - La Convencion – Cusco”. El presente estudio se centrará en brindar las Condiciones adecuadas para la transitabilidad vehicular del camino vecinal entre las comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del Centro Poblado de Samaniato, para tal efecto el presente estudio hidrológico e hidráulico planteará las obras de arte (tres puentes, 21 Alcantarillas, un badén y cunetas a lo largo del tramo) requeridas para un tránsito vehicular adecuado en el camino vecinal ya mencionadas de acuerdo a las normas técnicas establecidas. Con el objeto de establecer las dimensiones mínimas necesaria para que la estructura de conducción no sea afectada por una creciente con determinado periodo de retorno se plantea la realización de un estudio hidrológico y una evaluación hidráulica de las quebradas que interviene el proyecto. El presente informe tiene por objeto mostrar la metodología, los datos y los resultados en el estudio hidrológico y la evaluación Hidráulica. 1.2. METODOLOGÍA Los primeros trabajos se realizaron a nivel de campo “in situ”, ejecutando trabajos especializados y a detalle sobre aspectos relevantes al proyecto como las evaluaciones de cada estructura proyectada de drenaje, para lo cual se ha contado con información de los estudios básicos como el estudio topográfico, el estudio de mecánica de suelos y los antecedentes del proyecto. En la zona de influencia del proyecto se ha observado que trata de las Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato del distrito de Kimbiri, por lo que el tratamiento y modelamiento se hace con hidrología. Juntamente con el equipo de especialistas durante el recorrido de campo se ha inventariado y proyectado un sistema de cuneta a considerarse la avenida mencionada. La inexistencia y/o insuficiente de la información hidrometeorológica en el punto de interés, nos ha obligado al empleo de metodologías que apoyándose lo máximo posible en la información existente en cuencas vecinas y en los factores físicos, ecológicos e hidrológicos que afectan al clima y la producción de escurrimiento permitan determinar en forma indirecta los diversos parámetros hidrológicos. Se estima que los resultados obtenidos son confiables para los fines del estudio, aún más si en las diversas fases del análisis se aplicaron criterios conservadores. Se ha recurrido a toda información existente tanto primaria y secundaria en la cartografía nacional, mapas digitales y softwares de visualización de modelos digitales de terreno como Google Earth, ArcGIS, Hec-Hms, AutoCAD y otros para la contratación y procesamiento de la información referida al proyecto de cuneta de la zona de estudio de los distritos mencionados. Finalmente se utiliza también programas comerciales con el HEC-HMS y H-Canales del campo de hidrología e hidráulica. 1.3. ANTECEDENTES El presente estudio nace como resultado de una necesidad sentida y por iniciativa de las Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato del distrito de Kimbiri, específicamente los residentes, la misma que con el apoyo de la Municipalidad Provincial De la Convención, gestionan el apoyo financiero ante las instituciones competentes para su financiamiento. El presente estudio permitirá conocer los caudales, su comportamiento en la época de precipitaciones extremas en torno a la zona de estudio, el modelamiento hidrológico se hace bajo un concepto urbano, el análisis de los parámetros meteorológicos, el análisis y tratamiento de la información pluviométrica, la determinación de los caudales de diseño, el análisis de máximas avenidas. Dicha información obtenida permitirá realizar un modelamiento hidráulico y una adecuada toma de decisiones en relación con el planteamientode las obras de arte y sistemas de drenaje. Por otro lado, en la selva del Perú en el departamento de Cusco en la provincia de Convención, se encuentra las comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, siendo esta zona un lugar de elevadas precipitaciones entre los meses de diciembre y abril. La característica de estos lugares es que se encuentran, las cuales están en malas condiciones al no presentar estructuras que evacuen adecuadamente el agua pluvial, siendo de gran necesidad ejecutar un estudio hidrológico para poder plantear soluciones como Construcción de cunetas, alcantarillas y Puente. En épocas de lluvia, los niveles de agua de la Avenida mencionada se incrementan demasiado produciendo deterioro de pavimentos existentes. Por esta razón, el presente tema de investigación tiene por finalidad elaborar un estudio hidrológico e hidráulico para conocer el comportamiento de las aguas que se acumulan en las calles mencionadas y qué soluciones se pueden emplear para poder reducir los desastres en dicho lugar de forma económica y eficaz. 1.4. Objetivos 1.4.1 Objetivo General · Realizar el estudio hidrológico e hidráulico en las zonas de influencia y/o aportantes las Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, y determinar los parámetros de diseño de la cuneta, alcantarillas y puente del proyecto: “MEJORAMIENTO DEL CAMINO VECINAL ENTRE LAS COMUNIDADES DE IVANQUIRIARI Y CAMONIATO DEL CENTRO POBLADO DE SAMANIATO DEL DISTRITO DE KIMBIRI - LA CONVENCION – CUSCO” 1.4.2 Objetivos Específicos · Evaluación en campo de las cuencas hidrográficas y tipo de estructura. · Delimitar las cuencas Hidrográficas. · Determinar los parámetros morfométricos de las cuencas. · Estimar el periodo de retorno tomando en cuenta el tipo de proyecto y el riesgo admisible. · Analizar los datos de precipitación máxima en 24 horas obtenidos de SENAMHI. · Estimar la distribución de probabilidades mediante distribuciones teóricas. · Generar la curva IDF y el hietograma de diseño para diferentes periodos de retorno. · Estimar caudales máximos en los puntos de interés a lo largo del tramo en estudio con el Software Hec Hms. · Realizar el modelamiento hidráulico con el Software Hec Ras para la obtención de tirantes hidráulicos en puntos donde se proyectará puentes. · Realizar el modelamiento hidráulico con el Software Hcanales para la obtención de tirantes hidráulicos en puntos donde se proyectará Alcantarillas, Badenes y Cunetas. 1.5. MATERIALES Y MÉTODOS 1.5.1 Información cartográfica · Carta Nacional 1:100000 del Instituto Geográfico Nacional. · Carta Nacional 1: 25000 del Instituto Geográfico Nacional. · Modelo de Elevación Digital del Terreno. 1.5.2 Información meteorológica Series de precipitación máxima de 24 horas, de las estaciones meteorológicas de Quillabamba, Machente y Anco, según el detalle del Anexo. 1.5.3 Aspectos metodológicos La metodología utilizada para la generación de los caudales de máximas avenidas a la ruta Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato se sustenta en la utilización del modelo hidrológico HEC-HMS que utiliza los siguientes componentes: modelos de cuenca, modelos meteorológicos, especificaciones de control y datos de entrada. Una simulación calcula la transformación de lluvia a caudal en el modelo de la cuenca, dada la entrada del modelo meteorológico. Las especificaciones de control definen el periodo de tiempo durante el cual se realizará la simulación y el intervalo de tiempo a utilizar. Los componentes de los datos de entrada, tales como las series temporales, tablas y datos por celdas son requeridos como parámetros o condiciones de contorno tanto en el modelo de la cuenca como en el meteorológico. 1.6. Características generales del área de estudio 1.6.1 Ámbito de estudio La zona del proyecto que contempla el presente estudio se encuentra en el Distrito de Kimbiri, Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, así como todas las microcuencas son aportantes o desembocan las aguas pluvias hacia el tramo mencionado. 1.6.2 Ubicación La zona de estudio está ubicada en los Distrito de Kimbiri, Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, Provincia La convencion, Región Cusco. 1.6.2.1. Ubicación Política Las Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato se encuentra ubicado políticamente en: · Región: Cusco · Provincia: La Convención · Distrito: Kimbiri · Lugar: Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato. Figura 1: Mapa Nacional Figura 2: Mapa Provincial Figura 3: Mapa Distrital Figura 4: Vista satelital de la zona de estudio 1.6.2.2. Ubicación Geográfica Cartográficamente se encuentra ubicado en el cuadrante 26o (Sistema de Proyección UTM, zona 18) Cuadro 1:Ubicación geográfica Este : 641112.50 m Norte : 8602356.01 m Altitud : 780.00 m.s.n.m Datum : D_WGS_1984 1.6.3 Metodología de Trabajo 1.6.3.1. Actividades Preliminares Para la realización del estudio se efectuaron una serie de actividades preliminares previas a los trabajos de campo, que se mencionan a continuación: · Coordinación de trabajo con el equipo técnico de las diferentes especialidades, con la finalidad de compartir ideas e información disponible. · Recopilación de todos los antecedentes técnicos (como planos e informes). · Coordinación con el jefe de proyecto sobre los trabajos a realizar de acuerdo a la especialidad. · Revisión de los antecedentes y documentos como el perfil técnico y algunos estudios básicos de ingeniería como la topografía. · Identificación de las estaciones meteorológicas dentro del área de la zona de influencia del proyecto. · Recopilar información básica de precipitación máxima en 24 horas. · Coordinaciones con las diferentes entidades, relacionadas con el tema, instituciones públicas y privadas, gobiernos provincial y local. 1.6.3.2. Trabajo de Campo Los trabajos de campo realizados corresponden a lo siguiente: · Reconocimiento in situ de las principales características de todas las calles en estudio, dimensiones, tipo de cobertura y otros. · Reconocimiento del sistema hidrográfico de la cuenca urbana, en cuanto a la red de drenaje, características principales de escorrentía en la ruta de estudio · Evaluación y proyección de la infraestructura hidráulica de cuneta, alcantarillas y puente. · Reconocimiento de las estaciones meteorológicos de las cuencas. · Evaluación en campo de las cuencas de mayor magnitud, a fin de evaluar y comparar las cuencas de incidencia sobre la zona de estudio. · Reconocimiento de las trazas de máximas avenidas y sentido del flujo en las rutas. · Fotografías e informaciones complementarias necesarias para el procedimiento del estudio hidrológico e hidráulico para el proyecto de cuneta. 1.6.3.3. Trabajo de Gabinete Los trabajos de gabinete durante la ejecución del estudio correspondieron a: · Revisión de estudios hidrológicos de la zona de influencia del proyecto realizados, teniendo en cuenta su relevancia y su cronología. · Diagnostico general de la situación actual de las subcuencas urbanas desde el punto de vista de cunetas, alcantarillas y puente. · Delimitación de todas las subcuencas urbanas influyentes en el área del proyecto. · Desarrollo del aspecto climatológico de la cuenca, describiendo las diferentes variables climáticas como la precipitación y los caudales. · Descripción de las características fisiográficas de la cuenca, como son los parámetros de forma, relieve y drenaje, de la cuenca y subcuencas más representativas. · Descripción de los registros históricos hidrometeorológicos disponibles para el estudio, en cuadros y gráficos. · Análisis de la información hidrometeorológica que incluye; en análisis estadístico y ajusta a una distribución para un periodo de retorno dado. · Evaluar eventos hidrológicos extremos, determinación de caudales máximos para diferentes periodos de retorno, con fines de diseño y que servirán con fines de prevencióny planificación hidrológica. · Determinación de las avenidas máximas extraordinarias. · Determinación de los parámetros hidráulicos, más representativos para cada obra de arte como cunetas, alcantarillas y puente. · Diseño hidráulico de todas las obras de arte y cuneta como alcantarilla, puentes 1.7. SÍNTESIS DE LOS TRABAJOS REALIZADOS Para lograr los objetivos del presente estudio se realizaron las siguientes actividades: · Recopilación, análisis y evaluación de información existente. · Reconocimiento hidrográfico - geomorfológico. · Inventario de infraestructura hidráulica existente. · Toma de parámetros físicos de la cuenca. · Análisis e interpretación de datos. · Simulación hidrológica e hidráulica · Diseño del sistema de cuneta y estructuras complementarias · Elaboración del informe final. 1.7.1. Problemática A lo largo y ancho de la extensión territorial del distrito de Kimbiri, aún hay muchos problemas en diferentes partes de la Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato que requiere sistemas de cuneta, alcantarillas y puente para evacuar las aguas pluviales especialmente en épocas de lluvias. La precaria infraestructura de sistema de drenaje, colapsa en temporada de lluvia, dificultando el acceso de vehículos y traslado de la población; este problema limita el flujo optimo del comercio interno y externo. Los daños que ocasionan las inundaciones y erosión de la carretera afectan a los pobladores y así mismo a la infraestructura de saneamiento y otras obras. esto debido a cambios climáticos, acción del tráfico, falta de conversación entre ellos: baches, ahuellamiento, hundimientos, etc. Figura 5: Necesidad de Alcantarilla por contrapendiente Figura 6: Riachuelo (Puente 03 proyectado) Figura 7: Necesidad de Alcantarilla por existencia de humedal Figura 8: Necesidad de Alcantarilla por el contrario pendiente Figura 9: Necesidad de Alcantarilla por existencia de Riachuelo Figura 10: Necesidad de Alcantarilla Figura 11: Necesidad de Alcantarilla por Existencia de Humedales Figura 12: Riachuelo (Badén proyectado) Figura 13: Riachuelo (Alcantarilla proyectado) Figura 14: Humedal (Alcantarilla proyectado) Figura 15: Alcantarilla Proyectado Figura 16: Río (Puente 02 proyectado) Figura 17: Río (Puente 01 proyectado) II. INFORMACIÓN BÁSICA 2.1. Definiciones Algunas de las definiciones que se mencionan fueron extraídas de la Ley de Recursos Hídricos y su Reglamento Nº 29338. · Programas integrales de control de avenidas. El programa integral de control de avenidas comprende el conjunto de acciones estructurales y no estructurales destinadas a prevenir, reducir y mitigar riesgos de inundaciones producidas por las avenidas de los ríos. Involucra proyectos hidráulicos de aprovechamientos multisectoriales y obras de encauzamiento y defensas ribereñas. · Acciones de prevención contra las inundaciones. Consideran la identificación de puntos críticos de desbordamiento por la recurrencia de fenómenos hidrometeorológicos y de eventos extremos, que hacen necesaria la ejecución de actividades permanentes de descolmatación de cauces, mantenimiento de las pendientes de equilibrio y construcción de obras permanentes de control y corrección de cauce. · Acciones estructurales y no estructurales para el control de avenidas. Permitan el control, prevención y mitigación de los efectos de los fenómenos naturales destinados a la protección de los bienes asociados al agua naturales o artificiales, tierras, poblaciones aledañas, vías de comunicación e infraestructura. · Acciones no estructurales. Constituye la zonificación de zonas de riesgo; sistema de alerta temprana; operación de embalses y presas derivadoras en épocas de avenidas. · Acciones estructurales. Constituye obras de defensa, embalses de regulación, obras de defensas provisionales, defensas vivas obras de encauzamiento y otras obras afines. · Obras de defensas provisionales. Son obras de defensas provisionales, aquellas que se llevan a cabo para controlar la inundación y erosión del agua, y que por su carácter de expeditivas no ofrecen razonable seguridad en su permanencia. Caben en esta clasificación las obras de defensa que se ejecutan en situaciones de emergencia. · Defensas vivas. Constituyen defensas vivas, la vegetación natural que se desarrolla en las riberas y márgenes de los álveos, así como la sembrada por el hombre para procurar su estabilización. · Obras de encauzamiento. Constituyen obras de encauzamiento las que se ejecutan en las márgenes de los ríos en forma continua para formar un canal de escurrimiento que permita establecer el cauce del río o quebrada dentro de una zona determinada. En principio, las obras de encauzamiento tienen prioridad sobre las de defensa para la solución integral de los problemas creados por las avenidas extraordinarias. · Dique con enrocado. Son medidas estructurales permanentes paralelas al flujo del agua, que se construyen en la margen del cauce del río. Conformado a base de material de río dispuesto en un cuerpo de forma trapezoidal compactado y revestido con roca en su cara húmeda. Permite contrarrestar los efectos erosivos del río. · Muro de gaviones. Estructuras flexibles permanentes y paralelas al flujo del, que se construyen en la margen del cauce del río. Construidos con cajas de malla hexagonal tejida a doble torsión, compuesto de alambre galvanizado. Son colocados uno tras otro y uno sobre otro, llenados con cantos rodados que se encuentran en los cauces de los ríos. Son apropiados en zonas de ríos con pendiente suave y baja velocidad. · Diques con colchones antisocavantes de mallas. Son medidas estructurales permanentes paralelas al flujo del agua, que se construyen en la margen del cauce del río. Consiste en un cuerpo compactado y protegido con mallas de alambre tipo colchón llenados en base a cantos rodados. Es recomendable emplear en tramos en tangente o curvas amplias de zonas por proteger o que hayan sido erosionados. · Espigones. Son estructuras permanentes y trabajan en conjunto, son empleados, cuando se desee orientar en forma convergente los cursos de agua o existan cauces demasiado amplios y de fácil erosión. Son ubicados en forma transversal al flujo del agua y pueden ser con roca o malla de gaviones. · Barcas, caballetes, gallineros. Son estructuras temporales de forma paralela al flujo del agua, constituidos con troncos amarrados con alambre y una plataforma sobre la cual se colocará de preferencia cascote o rocas de 8 pulgadas de diámetro para dar estabilidad en longitudes continuas. · Cauce o álveo. Continente de las aguas durante sus máximas crecidas, constituye un bien de dominio público hidráulico. · Riberas. Áreas de los ríos, arroyos, torrentes, lagos y lagunas, comprendidas entre el nivel mínimo de sus aguas y el nivel de su máxima creciente. No se consideran las máximas crecidas registradas por eventos extraordinarios, constituye un bien de dominio público hidráulico. · Faja marginal. Área inmediata superior al cauce o álveo de la fuente de agua, natural o artificial, en su máxima creciente, sin considerar los niveles de las crecientes por causas de eventos extraordinarios, constituye un bien de dominio público hidráulico. 2.2. Metodología de la cuenca 2.2.1. Generalidades Ciertas aplicaciones de la Ingeniería Hidrológica pueden requerir análisis complejos que involucra la variación temporal y/o espacial de la precipitación, abstracciones hidrológicas, y escorrentía. Típicamente, tales análisis implican un gran número de cálculos y son por lo tanto satisfechos con la ayuda de una computadora digital. El uso de las computadoras en todos los aspectos de la ingeniería hidrológica ha incrementado el énfasis en el modelamiento de cuencas. Un modelo de cuenca es un conjunto de abstracciones matemáticas que describen las fases relevantes del ciclo hidrológico, con el objetivo de simular la conversión de la precipitación en escorrentía. En principio, la técnica de modelamiento de cuenca es aplicable a cuencas de cualquier tamaño,pequeñas (unas hectáreas), medianas (decenas de kilómetros cuadrados) o grandes (miles de kilómetros cuadrados). En la práctica, sin embargo, aplicaciones de modelamiento de cuenca son generalmente confinados al análisis de cuencas para el que la descripción de la variación temporal y/o espacial de la precipitación sea garantizada. Usualmente este es el caso de cuencas medianas y grandes. Una aplicación típica de modelamiento de cuenca consiste de lo siguiente: 1. Selección del tipo de modelo. 2. Formulación y construcción del modelo. 3. Comprobación del modelo. 4. Aplicación del modelo. 2.2.2. Clasificación de modelos de cuenca Hay muchas aproximaciones a la Ingeniería Hidrológica, ellos pueden ser considerados como modelos que buscan representar el comportamiento de un prototipo (es decir el mundo real). Generalmente, los modelos pueden ser clasificados como (a) material, o (b) formal. Un modelo material es una representación física de un prototipo, más simple en estructura y con propiedades similares a aquella del prototipo. Un modelo formal es una abstracción matemática de una situación idealizada que preserva las propiedades estructurales importantes del prototipo. Los modelos materiales pueden ser icónicos o análogos. Los modelos icónicos son representaciones simplificadas del sistema hidrológico del mundo real, tal como lisímetros, simuladores de lluvia, y cuencas experimentales. Los modelos análogos son aquellos que basan sus mediciones en sustancias diferentes de aquellas del prototipo, tal como el flujo de corriente eléctrica para representar el flujo de agua. En Ingeniería Hidrológica, todos los modelos formales son matemáticos en naturaleza, por lo tanto, el uso del término modelo matemático se refiere a todos los modelos formales, este último término es el más ampliamente utilizado en Ingeniería Hidrológica. Los modelos matemáticos pueden ser: 1. Teóricos, 2. Conceptuales 3. Empíricos. Un modelo teórico está basado en un conjunto de leyes generales; contrariamente, un modelo empírico es basado en inferencias derivadas del análisis de datos. Un modelo conceptual este de algún modo entre modelos teóricos y empíricos. En Ingeniería Hidrológica, cuatro modelos matemáticos son de uso común: 1. Determinístico, 2. Probabilístico, 3. Conceptual, y 4. Paramétrico. Un modelo determinístico es formulado usando las leyes de los procesos físicos o químicos, como el descrito por ecuaciones diferenciales. Un modelo probabilístico, sea estadístico o estocástico es gobernado por las leyes del cambio o probabilidad. Los modelos estadísticos tratan con muestras observadas, mientras que los modelos estocásticos se centran en las propiedades aleatorias de ciertas series hidrológicas de tiempo, por ejemplo, caudales diarios. Un modelo conceptual es una representación simplificada de los procesos físicos, obtenida agregando sus variaciones espaciales y/o temporales, y descrito en términos de sus ecuaciones diferenciales ordinarias o ecuaciones algebraicas. Un modelo paramétrico (es decir, empírico, o de caja negra) representa los procesos hidrológicos por medio de ecuaciones algebraicas que contienen parámetros a ser determinados por medios empíricos. 2.3. Modelamiento hidrológico El caudal de diseño en la cuenca, se calculará bajo las consideraciones siguientes: 2.3.1. Con información hidrométrica No se cuenta con información de caudales máximos mensuales. Haciendo uso del método Hidrológico, regional y el Método Hidráulico y de herramientas computacionales, se determinará el caudal de avenidas. 2.3.2. Con información pluviométrica En el ámbito de la cuenca existen estaciones pluviométricas con registros de precipitaciones totales, medias mensuales y máximas para 24 horas del SENAMHI. Considerando esta información se empleará el modelo precipitación- escorrentía, para determinar el caudal del diseño. 2.4. Modelamiento hidráulico 2.4.1. Flujo gradualmente variado Los cálculos están orientados a flujo unidimensional, para flujo estacionario gradualmente variado y para régimen mixto (subcrítico y supercrítico). Desarrollado con la ecuación de la energía, por un proceso iterativo: standart step method. Donde: Z1 y Z2 = elevación del cauce en la sección Y1 y Y2 = elevación del agua en la sección V1 y V2 = velocidades promedias α1 y α2 = coeficiente de velocidad g = aceleración de la gravedad he = pérdida de energía Figura 18: Diagrama de los términos de la ecuación de energía La pérdida he se compone de pérdidas por fricción y pérdidas por contracción o expansión. 2.4.2. Condición de frontera Una condición de frontera aguas arriba es aplicada como un hidrograma del flujo de descarga en función del tiempo. Cuatro tipos de condiciones de frontera para aguas abajo, se indica: Stage Hydrograph: Nivel de agua en función del tiempo, si la corriente fluye en un entorno como el remanso de un estuario o bahía en la que se rige la elevación de la superficie del agua por las fluctuaciones de la marea, o donde desemboca en un lago o reservorios. Flow Hydrograph: Puede utilizarse si el dato registrado está disponible y el modelo está calibrado a un evento de inundación específico. Single Valued Rating Curve: Es función monótona de la etapa y el flujo. Puede emplearse para describir con precisión la etapa de flujo como cascadas, estructuras hidráulicas de control, aliviaderos, presas. Normal Depth: Se introduce la pendiente de fricción, considerada como la profundidad normal, si existen las condiciones de flujo uniforme. Dado que las condiciones de flujo uniforme no existen normalmente en las corrientes naturales, esta condición de frontera debe ser utilizada aguas abajo del área de estudio. 2.4.3. Caudales Se considera un flujo permanente o estacionario; el caudal no varía con el tiempo. Los efectos de laminación de avenidas no se tomarán en cuenta en el modelo. En el capítulo V, se calcula los caudales de diseño para las diferentes obras y estructuras de cuneta en todas las calles involucradas en el tramo de estudio. 2.4.4. Modelo digital del terreno (MDT) Es la representación digital de la superficie terrestre; conjunto de capas (generalmente raster) que representan distintas características de la superficie terrestre derivadas de una capa de elevaciones a la que se denomina Modelo Digital de Elevaciones (DEM). 2.4.5. Sistemas de Información Geográfica Se hizo trabajos previos en ArcMap y ArcGIS 10.5.1. En esta fase; se creó lo siguiente: · Delimitación de la cuenca · Obtención de los parámetros morfométricos de la Cuenca aportantes a la RUTA Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato. · Información geométrica (eje del cauce, márgenes izquierda y derecha, delimitación del área de flujo y secciones transversales). · Topología y atributos a las secciones del cauce de la ruta de intervención. · Creación de archivos de exportación para HEC-HMS 2.4.6. Coeficiente de rugosidad La elección del coeficiente de rugosidad (“n” de Manning), se realizó mediante la observación en campo de las características del cauce principal y de los márgenes derecha e izquierda, así como la comparación con estudios anteriores y tablas. Los valores de “n” varían según las características de los tramos del río. Sin embargo, para este proyecto se considera el coeficiente constante. Cuadro 2 : Coeficiente de rugosidad de Manning para Conductos cerrados III. CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA 3.1. Las subcuencas del proyecto En este caso en específico se tiene como proyecto un sistema de cuneta que es el sistema de cuneta, alcantarillas y Puente de las cuencas aportantes a la RUTA Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato. Cabe mencionar que las cuencas aportantes de la vía de intervención está conformada por zonas urbanas los cuales serán tomados en cuenta al momento de estimar el tipo de cobertura o en todo caso el número de curva CN. 3.1.1. Cuencas aportantes Las cuencas aportantes a la ruta de la Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, son zonas ruralesy cada vez se ve afectada por el crecimiento poblacional. El agua de la escorrentía pluvial que se acumula a lo largo del tramo tiene los siguientes puntos de aforo: Para delimitar las Microcuencas aportantes a la ruta de las Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato se hizo uso de las curvas de nivel. Del mismo modo para la delimitación de las cuencas urbanas se hizo el recorrido en campo identificando las direcciones de flujo de cada calle. Finalmente se hace uso del ArcGIS 10.5.1 para el proceso y la determinación de los parámetros morfométricos de las microcuencas de la vía de intervención A continuación, se muestra la delimitación de las microcuencas urbanas para el presente proyecto. Figura 19: Subcuencas Aportantes de la ruta de la Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato 3.1.1.1. Morfología de las microcuencas La morfología de una cuenca queda definida por su forma, relieve y drenaje, para lo cual se han establecido una serie de parámetros, que, a través de ecuaciones matemáticas, sirven de referencia para la clasificación y comparación de cuencas. Para un mejor estudio de las cuencas se han establecido los siguientes parámetros: · Parámetros de forma · Parámetros de relieve · Parámetros de red hidrográfica. 3.1.1.2. Parámetros de forma de la cuenca. a) Área de la cuenca (A) El área (A) se estima a través de la sumatoria de las áreas comprendidas entre las curvas de nivel y los límites de la cuenca. Esta suma será igual al área de la cuenca en proyección horizontal. b) Coeficiente de compacidad o de gravelius (Kc) Permite evaluar la uniformidad o irregularidad del contorno de la cuenca con respecto a un círculo, y se define como el cociente entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de un círculo de igual área. Donde: P = Perímetro de la cuenca (Km.), A = Área de la cuenca (Km2) De la expresión se desprende que Kc siempre es mayor o igual a 1, y se incrementa con la irregularidad de la forma de la cuenca. c) Rectángulo equivalente (Re) Asimila la superficie y el perímetro de la cuenca a un rectángulo equivalente En el caso de dos cuencas con rectángulos equivalentes similares, se admite que poseen un comportamiento hidrológico análogo siempre que posean igual clima y que el tipo y la distribución de sus suelos, de su vegetación y de su red de cuneta sean comparables (Martínez et al, 1996). d) Factor de forma (Ff) Definido como el cociente entre la superficie de la cuenca resultante del rectángulo equivalente y el cuadrado de su Lado Mayor del rectángulo equivalente, medida desde la salida hasta el límite de la cuenca, cerca de la cabecera del cauce principal. Donde: A = Área de la cuenca (Km2), l = Lado Menor del rectángulo equivalente (Km.) L = Lado Mayor del rectángulo equivalente (Km.) Cuadro 3: Factor de forma Rango de Kf Clases de forma 0.01 - 0.18 Muy poco achatada 0.19 - 0.36 Ligeramente achatada 0.37 - 0.54 Moderadamente achatada e) Radio de circularidad (Rc) Relaciona el área de la cuenca y la del círculo que posee una circunferencia de longitud igual al perímetro de la cuenca. Su valor es 1 para una cuenca circular y 0.785, para una cuenca cuadrada. Donde: P = Perímetro de la cuenca (Km) A = Área de la cuenca (Km2) f) Índice de alargamiento (Ia) Este índice, propuesto por Horton, relaciona la longitud máxima de la cuenca con su ancho máximo medido perpendicularmente a la dimensión anterior. Cuando el Ia toma valores mayores a la unidad, se trata seguramente de cuencas alargadas, mientras que para valores cercanos a 1, se trata de una cuenca cuya red de cuneta presenta la forma de abanico y puede tenerse un río principal corto. Donde: Lc = Longitud de la cuenca paralela al cauce principal (Km) lc = Longitud o ancho medio de la cuenca (Km) 3.1.1.3. Parámetros de relieve de la cuenca. El relieve posee una incidencia más fuerte sobre la escorrentía que la forma, dado que a una mayor pendiente corresponderá un menor tiempo de concentración de las aguas en la red de cuneta y afluentes al curso principal. Es así como a una mayor pendiente corresponderá una menor duración de concentración de las aguas de escorrentía en la red de cuneta y afluentes al curso principal. a) Curva hipsométrica Es utilizada para representar gráficamente cotas de terreno en función de las superficies que encierran. Para su trazado se debe tener en cuenta que sobre la sección de control (altitud mínima de la cuenca), se tiene el cien por ciento de su superficie. Si se ubica en el punto más alto de la cuenca y se calcula a partir de cada curva de nivel, las áreas acumuladas por encima de ellas, se puede construir la curva hipsométrica. En general, tanto las alturas como las superficies son definidas en términos porcentuales. Figura 20: Curva hipsometrica b) Polígono de frecuencias Se denomina así a la representación gráfica de la relación existente entre altitud y la relación porcentual del área a esa altitud con respecto al área total. En el polígono de frecuencias existen valores representativos como: la altitud más frecuente, que es el polígono de mayor porcentaje o frecuencia. c) Altitud media de la cuenca Corresponde a la ordenada media de la curva hipsométrica, y su cálculo obedece a un promedio ponderado: elevación – área de la cuenca. d) Altitud de frecuencia media Corresponden a las abscisas medias de las curvas hipsométricas de la cuenca y subcuencas de los ríos. e) Altitud más frecuente Son los límites de altitud donde se tiene el mayor porcentaje de área de la cuenca en estudio y estos pueden variar dentro del rango de las cotas máximas y mínimas de cada cuenca. f) Pendiente media de la cuenca Este parámetro de relieve es importante debido a su relación con el comportamiento hidráulico de cuneta de la cuenca. 3.1.1.4. Parámetros de la red hidrográfica La red hidrográfica corresponde a la cuneta, permanente o temporal, por el que fluyen las aguas de los escurrimientos superficiales, hipodérmicos y subterráneos de la cuenca. La red de cuneta es, probablemente, uno de los factores más importantes a la hora de definir un territorio. De ella se puede obtener información en lo que concierne a la roca madre y a los materiales del suelo, a la morfología y a la cantidad de agua que circula, entre otros. Diversos autores coinciden en afirmar que mientras mayor sea el grado de bifurcación del sistema de cuneta de una cuenca, es decir, entre más corrientes tributarias presente, más rápida será la respuesta de la cuenca frente a una tormenta, evacuando el agua en menos tiempo. En efecto, al presentar una densa red de drenaje, una gota de lluvia deberá recorrer una longitud de ladera pequeña, realizando la mayor parte del recorrido a lo largo de los cauces, donde la velocidad del escurrimiento es mayor. a) Número de orden de los ríos La clasificación (orden) de la cuenca hidrográfica es función del número de orden o medida de la ramificación del cauce principal. b) Pendiente media del río principal El valor de la pendiente longitudinal se ha efectuado con el método de áreas compensadas para el cauce principal de cada subcuenca. c) Tiempo de concentración Tiempo necesario para que todo el sistema (toda la cuenca) contribuya eficazmente a la generación de flujo en el desagüe. Comúnmente el tiempo de concentración se define como, el tiempo que tarda una partícula de agua caída en el punto más alejado de la cuenca hasta la salida del desagüe. Además, debe tenerse en claro que el tiempo de concentración de una cuenca no es constante; según Marco y Reyes (1992) aunque muy ligeramente depende, de la intensidad y la precipitación. Kirpich: Desarrollada a partir de información del SCS en siete cuencas rurales de Tennessee con canales bien definidos y pendientes empinadas (3 a 10%); para flujo superficial en superficies de concreto o asfalto se debe multiplicar tc por 0.4; para canales de concreto se debe multiplicar por 0.2; no se debe hacer ningún ajuste para flujo superficial en suelo descubierto o para flujo en cunetas.L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida, m. S= pendiente promedio de la cuenca, m/m California culverts Practice: Esencialmente es la ecuación de Kirpich; desarrollada para pequeñas cuencas montañosas en California. L = Longitud del curso de agua más largo, m. H = diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y la salida, m. Cuadro 4: Subcuencas aportantes a la ruta de estudio ITEM DESCRIPCCION DE LA CUENCA URBANA PUNTO DE AFORO PUNTO ESTE (m) NORTE (m) 1 01. Cuenca P01 641188.00 8602451.00 2 02. Cuenca P02 641145.00 8602563.00 3 03. Cuenca P03 641145.00 8602563.00 4 04. Cuenca P04 641160.39 8602667.72 5 05. Cuenca P05 641327.27 8602753.79 6 06. Cuenca P06 641488.06 8602877.59 7 07. Cuenca P07 641363.21 8602913.40 8 08. Cuenca P08 641248.59 8603035.51 9 09. Cuenca P09 641381.77 8603018.02 10 10. Cuenca P10 641284.71 8603065.49 11 11. Cuenca P11 641470.80 8603092.77 12 12. Cuenca P12 641639.03 8603253.19 13 13. cuenca P13 641413.04 8603381.31 14 14. Cuenca P14 641346.96 8603429.43 15 15. Cuenca P15 641283.50 8603619.51 16 16. Cuenca P16 641244.39 8603663.62 17 17. Cuenca P17 641100.17 8603620.72 18 18. Cuenca P18 640999.16 8603478.34 19 19. Cuenca P19 640968.25 8603325.11 20 20. Cuenca P20 640904.80 8603299.80 21 21. Cuenca P21 640905.13 8603326.13 22 22. Cuenca P22 640828.91 8603410.83 23 23. Cuenca P23 640820.65 8603747.27 24 24. Cuenca P24 640807.66 8603878.00 25 25. Cuenca P25 640828.79 8603930.18 26 26. Cuenca P26 640740.52 8604102.36 27 27. Cuenca P27 640607.98 8604280.78 28 28. Cuenca P28 640662.33 8604396.69 29 29. Cuenca P29 640657.54 8604537.74 30 30. Cuenca P30 640470.43 8604634.99 31 31. Cuenca P31 640449.44 8604675.50 Cuadro 5: Curva característica del puente 01 N° COTA (msnm) Área (km2) Ci*Ai Mínima Máxima Promedio "Ci" Área Parcial (km2) "Ai" Área Acumulada (km2) Área que queda debajo de la superficie (km2) Área que queda sobre la superficie (km2) Porcentaje de área entre C.N. Porcentaje de área sobre C.N. 1 823 952 887.5 0.21 0.21 0.21 0.21 3.87 5.36% 100.0 184.02 2 953 1058 1005.5 0.29 0.29 0.50 0.50 3.66 7.50% 94.6 291.75 3 1059 1159 1109.0 0.45 0.45 0.94 0.94 3.37 11.54% 87.1 495.41 4 1160 1255 1207.5 0.53 0.53 1.48 1.48 2.93 13.73% 75.6 641.48 5 1256 1344 1300.0 0.56 0.56 2.03 2.03 2.39 14.45% 61.9 726.78 6 1345 1429 1387.0 0.63 0.63 2.66 2.66 1.84 16.17% 47.4 867.74 7 1430 1521 1475.5 0.42 0.42 3.08 3.08 1.21 10.95% 31.3 625.47 8 1522 1623 1572.5 0.36 0.36 3.44 3.44 0.79 9.22% 20.3 560.94 9 1624 1736 1680.0 0.27 0.27 3.71 3.71 0.43 7.03% 11.1 457.01 10 1737 1910 1823.5 0.16 0.16 3.87 3.87 0.16 4.05% 4.1 285.78 3.87 100% 5136.39 Figura 21: Curva hipsometrica del puente 01 Figura 22: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 01 Cuadro 6: Curva característica del puente 02 N° COTA (msnm) Área (km2) Ci*Ai Mínima Máxima Promedio "Ci" Área Parcial (km2) "Ai" Área Acumulada (km2) Área que queda debajo de la superficie (km2) Área que queda sobre la superficie (km2) Porcentaje de area entre C.N. Porcetaje de área sobre C.N. 1 823 1018 920.5 0.48 0.48 0.48 0.48 8.44 5.72% 100.0 444.14 2 1019 1162 1090.5 0.79 0.79 1.27 1.27 7.96 9.32% 94.3 857.24 3 1163 1299 1231.0 0.78 0.78 2.04 2.04 7.17 9.19% 85.0 954.41 4 1300 1428 1364.0 0.85 0.85 2.89 2.89 6.39 10.05% 75.8 1156.63 5 1429 1552 1490.5 0.98 0.98 3.87 3.87 5.55 11.60% 65.7 1458.59 6 1553 1678 1615.5 0.94 0.94 4.81 4.81 4.57 11.13% 54.1 1517.06 7 1679 1805 1742.0 1.00 1.00 5.81 5.81 3.63 11.82% 43.0 1737.65 8 1806 1930 1868.0 1.17 1.17 6.97 6.98 2.63 13.83% 31.2 2179.72 9 1931 2068 1999.5 0.95 0.95 7.92 7.92 1.46 11.23% 17.4 1894.53 10 2069 2263 2166.0 0.52 0.52 8.44 8.44 0.52 6.13% 6.1 1120.23 8.44 100% 13320.19 Figura 23: Curva hipsometrica del puente 02 Figura 24: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 02 Cuadro 7: Curva característica del puente 03 N° COTA (msnm) Área (km2) Ci*Ai Mínima Máxima Promedio "Ci" Área Parcial (km2) "Ai" Área Acumulada (km2) Área que queda debajo de la superficie (km2) Área que queda sobre la superficie (km2) Porcentaje de area entre C.N. Porcetaje de área sobre C.N. 1 1181 1216 1198.5 0.02 0.02 0.02 0.02 0.22 10.00% 100.0 26.03 2 1217 1248 1232.5 0.02 0.02 0.04 0.05 0.20 10.58% 90.0 28.31 3 1249 1281 1265.0 0.02 0.03 0.07 0.07 0.17 11.44% 79.4 31.43 4 1282 1312 1297.0 0.03 0.03 0.10 0.10 0.15 12.37% 68.0 34.86 5 1313 1343 1328.0 0.03 0.03 0.13 0.13 0.12 13.67% 55.6 39.43 6 1344 1374 1359.0 0.02 0.03 0.15 0.15 0.09 11.37% 41.9 33.55 7 1375 1405 1390.0 0.02 0.02 0.17 0.17 0.07 9.78% 30.6 29.54 8 1406 1440 1423.0 0.02 0.02 0.19 0.20 0.05 9.93% 20.8 30.68 9 1441 1481 1461.0 0.01 0.01 0.21 0.21 0.02 5.90% 10.9 18.72 10 1482 1542 1512.0 0.01 0.01 0.22 0.22 0.01 4.96% 5.0 16.30 0.22 100% 288.84 Figura 25: Curva hipsometrica del puente 03 Figura 26: Polígono de frecuencia de altitudes del puente 03 Cuadro 8: Curva característica del Baden N° COTA (msnm) Área (km2) Ci*Ai Mínima Máxima Promedio "Ci" Área Parcial (km2) "Ai" Área Acumulada (km2) Área que queda debajo de la superficie (km2) Área que queda sobre la superficie (km2) Porcentaje de área entre C.N. Porcentaje de área sobre C.N. 1 1080 1194 1137.0 0.18 0.18 0.18 0.18 2.22 8.26% 100.0 208.04 2 1195 1288 1241.5 0.30 0.30 0.48 0.48 2.03 13.34% 91.7 367.02 3 1289 1386 1337.5 0.25 0.26 0.73 0.73 1.74 11.50% 78.4 340.85 4 1387 1483 1435.0 0.23 0.23 0.97 0.97 1.48 10.48% 66.9 333.19 5 1484 1574 1529.0 0.22 0.22 1.18 1.19 1.25 9.84% 56.4 333.27 6 1575 1659 1617.0 0.24 0.24 1.42 1.42 1.03 10.68% 46.6 382.52 7 1660 1748 1704.0 0.24 0.24 1.66 1.66 0.80 10.61% 35.9 400.71 8 1749 1845 1797.0 0.20 0.20 1.86 1.86 0.56 9.15% 25.3 364.45 9 1846 1945 1895.5 0.18 0.18 2.04 2.04 0.36 8.09% 16.1 340.01 10 1946 2063 2004.5 0.18 0.18 2.22 2.22 0.18 8.05% 8.1 357.68 2.22 100% 3427.74 Figura 27: Curva hipsometrica del Baden Figura 28: Polígono de frecuencia de altitudes del Baden Cuadro 9: Parámetros de forma de las microcuencas ITEM DESCRIPCCION DE LA CUENCA URBANA AREA (km2) PERIMETRO (km) INDICE DE COMPACIDAD RECTANGULO EQUIVALENTE FACTOR DE FORMA L. MAYOR (km) L. MENOR (km) AREA (km2) 1 01. Cuenca 3.864 9.149 1.313 3.460 1.117 3.864 0.323 2 02. Cuenca 0.012 0.687 1.761 0.304 0.040 0.012 0.131 3 03. Cuenca 8.439 12.991 1.262 4.704 1.794 8.439 0.381 4 04. Cuenca 0.026 0.881 1.528 0.369 0.072 0.026 0.194 5 05. Cuenca 0.016 0.614 1.365 0.240 0.067 0.016 0.280 6 06. Cuenca 0.026 0.727 1.281 0.268 0.096 0.026 0.357 7 07. Cuenca 0.010 0.561 1.560 0.237 0.043 0.010 0.183 8 08. Cuenca 0.004 0.400 1.747 0.176 0.024 0.004 0.134 9 09. Cuenca 0.005 0.350 1.463 0.143 0.032 0.005 0.222 10 10. Cuenca 0.022 0.770 1.466 0.316 0.070 0.022 0.220 11 11. Cuenca 0.023 0.872 1.609 0.374 0.063 0.023 0.167 12 12. Cuenca 0.043 1.049 1.431 0.424 0.101 0.043 0.238 13 13. cuenca 0.030 0.884 1.436 0.358 0.084 0.030 0.235 14 14. Cuenca 0.128 1.719 1.357 0.669 0.191 0.128 0.286 15 15. Cuenca 0.007 0.548 1.865 0.246 0.028 0.007 0.113 16 16. Cuenca 2.215 6.720 1.2742.461 0.900 2.215 0.366 17 17. Cuenca 0.037 0.900 1.322 0.342 0.108 0.037 0.314 18 18. Cuenca 0.014 0.589 1.423 0.237 0.058 0.014 0.243 19 19. Cuenca 0.027 1.131 1.948 0.513 0.052 0.027 0.102 20 20. Cuenca 0.016 0.920 2.051 0.422 0.038 0.016 0.090 21 21. Cuenca 0.002 0.282 1.608 0.121 0.020 0.002 0.168 22 22. Cuenca 0.046 1.296 1.710 0.568 0.081 0.046 0.142 23 23. Cuenca 0.020 0.594 1.200 0.199 0.098 0.020 0.491 24 24. Cuenca 0.005 0.358 1.425 0.144 0.035 0.005 0.242 25 25. Cuenca 0.039 0.902 1.289 0.335 0.116 0.039 0.348 26 26. Cuenca 0.053 1.016 1.245 0.361 0.147 0.053 0.405 27 27. Cuenca 0.028 0.938 1.588 0.400 0.069 0.028 0.174 28 28. Cuenca 0.023 0.899 1.685 0.392 0.058 0.023 0.148 29 29. Cuenca 0.218 2.405 1.452 0.980 0.223 0.218 0.227 30 30. Cuenca 0.080 1.875 1.869 0.843 0.095 0.080 0.113 31 31. Cuenca 0.043 1.504 2.034 0.689 0.063 0.043 0.092 Cuadro 10: Parámetros de relieve de las microcuencas ITEM DESCRIPCCION DE LA CUENCA URBANA PENDIENTE DE LA CUENCA (CRIT. RECT. EQUIVALENTE) INDICE ALARGAMIENTO H. Max H. Min S (m/m) 1 01. Cuenca 1486 791 0.201 3.098 2 02. Cuenca 839 790 0.161 7.618 3 03. Cuenca 1857 794 0.226 2.622 4 04. Cuenca 838 805 0.089 5.149 5 05. Cuenca 845 825 0.083 3.576 6 06. Cuenca 926 864 0.231 2.802 7 07. Cuenca 888 862 0.110 5.470 8 08. Cuenca 897 885 0.068 7.465 9 09. Cuenca 905 899 0.042 4.511 10 10. Cuenca 995 901 0.298 4.535 11 11. Cuenca 996 940 0.150 5.972 12 12. Cuenca 1112 1001 0.262 4.204 13 13. cuenca 1140 1010 0.363 4.247 14 14. Cuenca 1244 1010 0.350 3.502 15 15. Cuenca 1071 1024 0.191 8.818 16 16. Cuenca 1840 1048 0.322 2.735 17 17. Cuenca 1121 1042 0.231 3.180 18 18. Cuenca 1094 1015 0.333 4.119 19 19. Cuenca 1125 985 0.273 9.828 20 20. Cuenca 1043 997 0.109 11.136 21 21. Cuenca 1017 998 0.157 5.959 22 22. Cuenca 1118 1024 0.166 7.047 23 23. Cuenca 1156 1101 0.276 2.035 24 24. Cuenca 1160 1105 0.381 4.138 25 25. Cuenca 1201 1117 0.251 2.873 26 26. Cuenca 1237 1120 0.324 2.467 27 27. Cuenca 1247 1128 0.298 5.752 28 28. Cuenca 1254 1155 0.253 6.779 29 29. Cuenca 1452 1159 0.299 4.405 30 30. Cuenca 1365 1138 0.269 8.868 31 31. Cuenca 1363 1133 0.334 10.920 Cuadro 11: Parámetros de la red de las microcuencas CARACTERISTICAS MORFOMETRICAS DE LAS CUENCAS EN ESTUDIO ITEM DESCRIPCCION DE LA CUENCA URBANA PENDIENTE DEL CAUSE TIPO DE CORRIENTE Long. Cause Principal (km) S Cause (m/m) 1 01. Cuenca 2.456 0.283 Efímera 2 02. Cuenca 0.196 0.250 Efímera 3 03. Cuenca 4.127 0.258 Efímera 4 04. Cuenca 0.232 0.142 Efímera 5 05. Cuenca 0.131 0.153 Efímera 6 06. Cuenca 0.222 0.279 Efímera 7 07. Cuenca 0.074 0.351 Efímera 8 08. Cuenca 0.152 0.079 Efímera 9 09. Cuenca 0.053 0.113 Efímera 10 10. Cuenca 0.298 0.316 Efímera 11 11. Cuenca 0.166 0.338 Efímera 12 12. Cuenca 0.301 0.369 Efímera 13 13. cuenca 0.343 0.379 Efímera 14 14. Cuenca 0.645 0.363 Efímera 15 15. Cuenca 0.105 0.446 Efímera 16 16. Cuenca 2.254 0.351 Efímera 17 17. Cuenca 0.159 0.495 Efímera 18 18. Cuenca 0.200 0.396 Efímera 19 19. Cuenca 0.444 0.315 Efímera 20 20. Cuenca 0.214 0.215 Efímera 21 21. Cuenca 0.100 0.190 Efímera 22 22. Cuenca 0.364 0.258 Efímera 23 23. Cuenca 0.198 0.277 Efímera 24 24. Cuenca 0.137 0.403 Efímera 25 25. Cuenca 0.276 0.305 Efímera 26 26. Cuenca 0.316 0.370 Efímera 27 27. Cuenca 0.373 0.319 Efímera 28 28. Cuenca 0.321 0.308 Efímera 29 29. Cuenca 0.787 0.372 Efímera 30 30. Cuenca 0.602 0.377 Efímera 31 31. Cuenca 0.552 0.417 Efímera Cuadro 12: Tiempo de concentración de las microcuencas TIEMPO DE CONCENTRACIÓN DE LAS CUENCAS URBANAS EN ESTUDIO ITEM DESCRIPCCION DE LA CUENCA URBANA PUNTO DE AFORO AREA (km2) DESNIVEL (m) LONG. DEL CAUCE PRINCIPAL (km) PENDIENTE DEL CAUCE (m/m) Tc Kirpich (Min.) Tc California culverts practice (Min.) Tc ESCOGIDO (Min.) 1 01. Cuenca P01 3.864 695.00 2.456 0.283 12.91 12.93 12.91 2 02. Cuenca P02 0.012 49.00 0.196 0.250 1.93 1.93 1.93 3 03. Cuenca P03 8.439 1063.00 4.127 0.258 19.96 19.99 19.96 4 04. Cuenca P04 0.026 33.00 0.232 0.142 2.73 2.74 2.73 5 05. Cuenca P05 0.016 20.00 0.131 0.153 1.71 1.71 1.71 6 06. Cuenca P06 0.026 62.00 0.222 0.279 2.04 2.04 2.04 7 07. Cuenca P07 0.010 26.00 0.074 0.351 0.80 0.80 0.80 8 08. Cuenca P08 0.004 12.00 0.152 0.079 2.48 2.48 2.48 9 09. Cuenca P09 0.005 6.00 0.053 0.113 0.96 0.96 0.96 10 10. Cuenca P10 0.022 94.00 0.298 0.316 2.44 2.44 2.44 11 11. Cuenca P11 0.023 56.00 0.166 0.338 1.51 1.52 1.51 12 12. Cuenca P12 0.043 111.00 0.301 0.369 2.31 2.31 2.31 13 13. cuenca P13 0.030 130.00 0.343 0.379 2.53 2.54 2.53 14 14. Cuenca P14 0.128 234.00 0.645 0.363 4.19 4.20 4.19 15 15. Cuenca P15 0.007 47.00 0.105 0.446 0.96 0.96 0.96 16 16. Cuenca P16 2.215 792.00 2.254 0.351 11.12 11.14 11.12 17 17. Cuenca P17 0.037 79.00 0.159 0.495 1.27 1.27 1.27 18 18. Cuenca P18 0.014 79.00 0.200 0.396 1.64 1.64 1.64 19 19. Cuenca P19 0.027 140.00 0.444 0.315 3.32 3.32 3.32 20 20. Cuenca P20 0.016 46.00 0.214 0.215 2.19 2.20 2.19 21 21. Cuenca P21 0.002 19.00 0.100 0.190 1.28 1.28 1.28 22 22. Cuenca P22 0.046 94.00 0.364 0.258 3.07 3.08 3.07 23 23. Cuenca P23 0.020 55.00 0.198 0.277 1.87 1.88 1.87 24 24. Cuenca P24 0.005 55.00 0.137 0.403 1.22 1.22 1.22 25 25. Cuenca P25 0.039 84.00 0.276 0.305 2.33 2.33 2.33 26 26. Cuenca P26 0.053 117.00 0.316 0.370 2.40 2.41 2.40 27 27. Cuenca P27 0.028 119.00 0.373 0.319 2.89 2.90 2.89 28 28. Cuenca P28 0.023 99.00 0.321 0.308 2.61 2.61 2.61 29 29. Cuenca P29 0.218 293.00 0.787 0.372 4.83 4.84 4.83 30 30. Cuenca P30 0.080 227.00 0.602 0.377 3.92 3.92 3.92 31 31. Cuenca P31 0.043 230.00 0.552 0.417 3.52 3.53 3.52 IV. ESTUDIO HIDROLÓGICO 4.1. Generalidades El aspecto de mayor importancia en el presente Estudio Hidrológico ha sido la utilización de información hidrometeorológica de cuencas aledañas a la de interés, para que utilizando técnicas hidrológicas comúnmente aceptadas se estime información hidrometeorológica en el área del Proyecto. 4.2. Análisis de los datos hidrológicos Para efectos de la utilización de técnicas de extrapolación de información hidrometeorológica de una cuenca a otra es necesario demostrar la existencia de un comportamiento hidrológico similar entre ambas cuencas en análisis. Siendo la precipitación el inicio del ciclo hidrológico, así como de todos los fenómenos asociados a la ocurrencia de escorrentía de variado tipo; es fundamental efectuar un análisis del comportamiento hidrológico mediante el uso de precipitaciones anuales obtenidas en las estaciones pluviométricas del proyecto. Se analizó el comportamiento hidrológico anual de las estaciones pluviométricas seleccionadas; del cual se desprende que existe una marcada similitud hidrológica y que básicamente representa un comportamiento hidrológico similar entre las cuencas que se encuentran ubicadas en la provincia de La convención de donde provienen las aguas que pasa por la zona del proyecto. La similitud hidrológica antes demostrada para las microcuencas aportantes a la ruta Comunidades de Ivanquiriari y Camoniato del centro poblado de Samaniato, no sólo se limita a los valores de precipitación, sino también alcanza a los valores de escorrentía superficial y los parámetrosmeteorológicos que influyen básicamente en la producción de los primeros fenómenos y que son: la temperatura ambiental, la evaporación, la evapotranspiración, etc.; pudiéndose usar técnicas de análisis regional para la estimación de dichos parámetros meteorológicos en base a la información existente en las cuenca con información. Figura 29: Vista satelital de la ubicación de las estaciones meteorológicas de la zona de influencia del proyecto 4.3. Análisis de la información pluviométrica La vía de intervención no tiene estudio a detalle del comportamiento Hidrológico tal como se aprecia en la revisión de información existente. Las estaciones Sivia, Machente, Anco y Quillabamba definen un registro desde el año 1964 a la actualidad, habiéndose seleccionado por su localización geográfica. Se han registrado para nuestro interés, únicamente precipitaciones máximas de 24 horas. Cuadro 13: Registro de las estaciones Meteorológicas Utilizadas en la zona de estudio ESTACION LONGITUD LATITUD ALTITUD REGION PROVINCIA DISTRITO AÑOS REGISTRO MACHENTE 73° 50' W 12° 32' S 1250 msnm Ayacucho La Mar Ayna 1968 - 1982 ANCO 73° 34' W 12° 58' S 1379 msnm Ayacucho La Mar Anco 1964 - 1981 QUILLABAMBA 72° 41' W 12° 51' S 990 msnm Cusco La Convención Santa Ana 1964 - 2018 SIVIA 73° 51' W 12° 30' S 560 msnm Junín Satipo Satipo 1972 - 1977 Cuadro 14: Precipitación máxima de 24 horas para la zona de estudio N° AÑO Quillabamba Estación Machente ANCO SIVIA 1 1965 60.00 - 24.40 - 2 1966 38.00 - - - 3 1967 41.00 - 32.80 - 4 1968 42.70 61.30 27.90 - 5 1969 37.40 46.50 35.30 - 6 1970 34.70 60.30 23.00 - 7 1971 39.00 46.40 22.70 - 8 1972 42.70 47.70 35.80 35.30 9 1973 35.70 61.70 25.50 37.90 10 1974 30.60 96.20 42.60 52.20 11 1975 42.40 56.60 24.50 45.00 12 1976 35.00 38.70 31.20 42.00 13 1977 40.20 35.90 25.00 43.90 14 1978 60.20 29.50 34.40 - 15 1979 33.40 30.40 22.30 - 16 1980 38.10 35.00 16.60 - 17 1981 - 48.90 27.80 - 18 1982 - 36.50 - - 19 1983 - - - - 20 1984 - - - - 21 1985 - - - - 22 1986 - - - - 23 1987 150.00 - - - 24 1988 82.20 - - - Cuadro 15: Precipitación máxima de 24 horas para la zona de estudio N° AÑO Quillabamba Estacion Machente ANCO SIVIA 25 1989 - - - - 26 1990 109.20 - - - 27 1991 - - - - 28 1992 - - - - 29 1993 - - - - 30 1994 - - - - 31 1995 - - - - 32 1996 36.00 - - - 33 1997 41.20 - - - 34 1998 71.60 - - - 35 1999 68.00 - - - 36 2000 63.90 - - - 37 2001 49.80 - - - 38 2002 57.10 - - - 39 2003 46.20 - - - 40 2004 38.10 - - - 41 2005 41.20 - - - 42 2006 50.10 - - - 43 2007 48.40 - - - 44 2008 53.10 - - - 45 2009 54.00 - - - 46 2010 83.80 - - - 47 2011 49.00 - - - 48 2012 38.80 - - - 49 2013 51.20 - - - 50 2014 39.40 - - - 51 2015 31.80 - - - 52 2016 29.10 - - - 53 2017 68.50 - - - 4.3.1. Selección del Periodo de Retorno El periodo de retorno se ha seleccionado según el manual de hidrología, hidráulica y cuneta del Ministerio de Transportes y Comunicaciones – Perú. El riesgo de falla admisible en función del período de retorno y vida útil de la obra está dado por: Si la obra tiene una vida útil de n años, la fórmula anterior permite calcular el período de retorno T, fijando el riesgo de falla admisible R, el cual es la probabilidad de ocurrencia del pico de la creciente estudiada, durante la vida útil de la obra. Ver Figura siguiente. Figura 30 : Riesgo de por lo menos una excedencia del evento de diseño durante la vida útil Fuente: Hidrología aplicada (Ven Te Chow) En el cuadro Nº11 se presenta el valor de T para varios riesgos permisibles R y para la vida útil n de la obra. Cuadro 16: Valores de Periodo de Retorno T (Años) Riesgo Admisible Vida útil de las obras (n) años R 1 5 15 25 40 50 100 200 500 5% 20 98 293 488 780 975 1950 3900 9748 Periodo de retorno (Años) 10% 10 48 143 238 380 475 950 1899 4746 15% 7 31 93 154 247 308 616 1231 3077 25% 4 18 53 87 140 174 348 696 1739 30% 3 15 43 71 113 141 281 561 1402 35% 3 12 35 59 93 117 233 465 1161 40% 3 10 30 49 79 98 196 392 979 50% 2 8 22 37 58 73 145 289 722 60% 2 6 17 28 44 55 110 219 546 70% 1 5 13 21 34 42 84 167 416 75% 1 4 11 19 29 37 73 145 361 80% 1 4 10 16 25 32 63 125 311 90% 1 3 7 11 18 22 44 87 218 95% 1 2 6 9 14 17 34 67 167 Cuadro 17: Valores máximos recomendados de riesgo admisible de obras de drenaje TIPO DE OBRA RIESGO ADMISIBLE (**) (%) Puentes (*) 25 Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes 30 Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas 35 Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal) 40 Subdrenes 40 Defensas Ribereñas 25 (*) - Para obtención de la luz y nivel de aguas máximas extraordinarias. - Se recomienda un período de retorno T de 500 años para el cálculo de socavación. (**) – Vida Útil considerado (n) · Puentes y Defensas Ribereñas n= 40 años. · Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 años. · Alcantarillas de quebradas menores n= 15 años. · Drenaje de plataforma y Sub - drenes n= 15 años. · Se tendrá en cuenta, la importancia y la vida útil de la obra a diseñarse. · El Propietario de una Obra es el que define el riesgo admisible de falla y la vida útil de las obras. 4.3.2. Análisis estadístico de datos hidrológicos. Para la ejecución del estudio hidrológico se ha recurrido a la información de precipitaciones máximas en 24 horas registradas en cuatro estaciones pluviométricas, ubicadas en diferentes partes de la zona de influencia del proyecto, siendo estas escogidas porque incluye registros de aproximadamente 25 años a más. Las estaciones pluviométricas se encuentran localizadas a lo largo y ancho de la zona de influencia del proyecto y son administradas por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrografía-SENAMHI. Se calculó los registros correspondientes a los periodos de retorno de 50, 75, 200 y 500 años usando las distribuciones: Normal, Log Normal, Log Pearson III, Pearson III, Valor Extremo Tipo I (Gumbel), etc. Con el programa Hidrognomon 4 4.3.2.1. Ajuste a una distribución de probabilidad. Una distribución de probabilidad es una función que representa la probabilidad de ocurrencia de una variable aleatoria. Mediante el ajuste a una distribución de un conjunto de datos hidrológicos, una gran cantidad de información probabilística en la muestra puede resumirse en forma compacta en la función y en sus parámetros asociados. Para elegir el ajuste a una distribución teórica, si el ajuste es bueno, se puede utilizar la distribución elegida, una vez encontrada la ley de distribución que rige las variables aleatorias, además se podrá predecir con determinada probabilidad, la ocurrencia de una determinada magnitud de un fenómeno hidrometeorológicos para un periodo de retorno. 4.3.2.2. Modelos de distribución. El análisis de frecuencias tiene la finalidad de estimar precipitaciones, intensidades o caudales máximos, según sea el caso, para diferentes períodos de retorno, mediante la aplicación de modelos probabilísticos, los cuales pueden ser discretos o continuos. En la estadística existen diversas funciones de distribución de probabilidad teóricas, utilizándose para el presente estudio las siguientes funciones: 4.3.2.2.1. Distribución normal. La función de densidad de probabilidad normal se define como: Donde f(x) = función densidad normal de la variable x x = variable independiente μ = parámetro de localización, igual a la media aritmética de x. S = parámetro de escala,igual a la desviación estándar de x. 4.3.2.2.2. Distribución Log Normal. Cuando los logaritmos, ln(x), de una variable x están normalmente distribuidos, entonces se dice que la distribución de x sigue la distribución de probabilidad log-normal, en que la función de probabilidad log-normal f(x) viene representado como: Para x ≥ 0 Donde α y β son parámetros de escala y de localización respectivamente. Aplicando el método de los momentos en la estimación de los parámetros, se obtiene Donde µ es la media y δ es la desviación estándar de la muestra. 4.3.2.2.3. Distribución Gumbel. La distribución de Valores Tipo I conocida como Distribución Gumbel o Doble Exponencial, tiene como función de distribución de probabilidades la siguiente expresión: Utilizando el método de momentos, se obtienen las siguientes relaciones: Donde: α = Parámetro de concentración. β = Parámetro de localización. Según Ven Te Chow, la distribución puede expresarse de la siguiente forma: Donde: x : Valor con una probabilidad dada. x : Media de la serie. k : Factor de frecuencia. 4.3.2.2.4. Distribución Log Pearson III. La función de densidad es: Válido para: Donde: x0 : parámetro de posición γ : parámetro de forma β : parámetro de escala 4.3.2.3. Pruebas de bondad de ajuste Las pruebas de bondad de ajuste son pruebas de hipótesis que se usan para evaluar si un conjunto de datos es una muestra independiente de la distribución elegida. Para el presente estudio la prueba de bondad de ajuste se realizó con Kolmogorov – Smirnov, y chi-cuadrado, la cual se describe a continuación. 4.3.2.3.1. Prueba Kolmogorov – Smirnov Método por el cual se comprueba la bondad de ajuste de las distribuciones, asimismo permite elegir la más representativa, es decir la de mejor ajuste. Esta prueba consiste en comparar el máximo valor absoluto de la diferencia D entre la función de distribución de probabilidad observada Fo (xm) y la estimada F (xm): D = máx / Fo(xm) – F(xm)/ Con un valor crítico d que depende del número de datos y el nivel de significancia seleccionado (Tabla Nº 03). Si D<d, se acepta la hipótesis nula. Esta prueba tiene la ventaja sobre la prueba de X2 de que compara los datos con el modelo estadístico sin necesidad de agruparlos. La función de distribución de probabilidad observada se calcula como: Fo(xm) = 1- m / (n+1) Donde m es el número de orden de dato xm en una lista de mayor a menor y n es el número total de datos. (Aparicio, 1996) Figura 31: Ingreso de preciptacion mensual maxima de 24 horas al software hydrognomon Figura 32: Análisis de precipitación máxima por diferentes distribuciones Figura 33: Curva IDF Figura 34: Curva IDF con las distribuciones seleccionadas Figura 35: precipitaciones máximas consistentes y confiables Análisis de la estación seleccionada Estación Machente Cuadro 18: selección de estaciones con programa Hidrognomon 4 · Del cuadro 15 se presenta Análisis de Nivel de significancia (a=1 %, a=5% y a=10%) por 2 pruebas de ajuste, kolmogorov y chi-cuadrado los cuales se ajustan a 4 distribuciones, la distribución Normal, LogNormal, Gamma y EV1-Ma (Gumbel) con el símbolo (Accept) · También se analizó el Nivel de confianza (Attained a), la distribución LogNormal presenta 99.39% de nivel de confianza y por ello es la distribución elegida. · Finalmente, el análisis de Dmax obtenido por software hidrognomon y la tabla de (Test de kolmogorov – smirnow) de los cuales el Dmax debe ser menos que el valor en test de kolmogorov-smirnow (Dmax hidrognomon = 0.0888 <Dmax test de kolmogorov –smirnow=0.3375) Cuadro 19: Test de kolmogorov-Smirnov · Finalmente se tiene las precipitaciones para cada tiempo de retorno 4.3.3. Determinación de la Tormenta de diseño una tormenta de diseño es un patrón de precipitación definido para utilizarse en el diseño de un sistema hidrológico. Usualmente la tormenta de diseño conforma la entrada al sistema, y los caudales resultantes a través de éste se calculan utilizando procedimientos de lluvia-escorrentía y tránsito de caudales. Una tormenta de diseño puede definirse mediante un valor de profundidad de precipitación en un punto, mediante un hietograma de diseño que especifique la distribución temporal de la precipitación durante una tormenta. 4.3.4. Hietogramas de Diseño en los métodos de diseño de hidrología desarrollados hace muchos años, tal como el método racional, solo se utilizaba el caudal pico. No existía consideración alguna sobre el tiempo de distribución del caudal (el hidrograma de caudal) o sobre la distribución temporal de la precipitación (el hietograma de precipitación). Sin embargo, los métodos de diseño desarrollados más recientemente, los cuales utilizan el análisis de flujo no permanente, requieren de predicciones confiables de hietograma de diseño para obtener los hidrogramas de diseño. 4.3.4.1. Método de Bloques Alternos El método de bloque alterno es una forma simple para desarrollar un hietograma de diseño utilizando una curva de intensidad – duración y frecuencia. El hietograma de diseño producido por este método especifica la profundidad de precipitación que ocurre en n intervalos de tiempo sucesivos de duración t sobre una duración total de T n t d . Después de seleccionar el periodo de retorno de diseño, la intensidad es leída en una curva IDF para cada una de las duraciones t , 2t , 3t ,…, y la profundidad de precipitación correspondiente se encuentra al multiplicar la intensidad y la duración. Tomando diferencias entre valores sucesivos de profundidad de precipitación, se encuentra la cantidad de precipitación que debe añadirse por cada unidad adicional de tiempo t . Estos incrementos o bloques se reordenan en una secuencia temporal de modo que la intensidad máxima ocurra en el centro de la duración requerida Td y que los demás bloques queden en orden descendente alternativamente hacia la derecha y hacia la izquierda del bloque central para formar el hietograma de diseño. 4.3.5. Curvas de Intensidad – Duración - Frecuencia uno de los primeros pasos que debe seguirse en muchos proyectos de diseño hidrológico, como el diseño de cuneta, es la determinación del evento o los eventos de lluvia que deben usarse. La forma más común de hacerlo es utilizar una tormenta de diseño o un evento que involucre una relación entre la intensidad de lluvia (o profundidad), la duración y las frecuencias o periodos de retorno apropiados para la obra y el sitio. Manual de hidrología, hidráulica y drenaje, las curvas intensidad – duración – frecuencia son un elemento de diseño que relacionan la intensidad de la lluvia, la duración de la misma y la frecuencia con la que se puede presentar, es decir su probabilidad de ocurrencia o el periodo de retorno. 4.3.5.1. Método de Dyck Peschke Según Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje, para el caso de duraciones de tormenta menores a 1 hora, o no se cuente con registros pluviográficos que permitan obtener las intensidades máximas, estas pueden ser calculadas mediante la metodología de Dick Peschke (Guevara, 1991) que relaciona la duración de la tormenta con la precipitación máxima en 24 horas. La expresión es la siguiente: Dónde: Pd = Precipitación Total (mm) d = duración en minutos P24hr = precipitación máxima en 24 horas (mm) La intensidad se halla dividiendo la precipitación Pd entre la duración. Este método se usará para estimar las intensidades para el diseño del Cuneta, Alcantarillado y Puente. Se menciona también que para el diseño de la cuneta mencionado se tomará como periodo de retorno 75 y 150 años. A continuación, se presenta las curvas IDF por el método Dyck Peschk, hietogramas de diseño método bloques alternos y las tormentas de diseño para el diseño del drenaje. Cuadro 20: Cálculo de intensidades por el método Dick Peschke Duracion (Minutos) Periodo de Retorno (Años) Tr = 25 años Tr = 30 años Tr = 50 años Tr = 75 años Tr = 100 años Tr = 150 años Tr = 200 años Tr = 500 años Intensidad (mm/hr) 5 270.58 278.37 300.03 317.13 329.25 346.33358.48 397.40 10 160.89 165.52 178.40 188.57 195.77 205.93 213.15 236.29 15 118.70 122.12 131.62 139.12 144.44 151.93 157.26 174.34 20 95.66 98.42 106.08 112.12 116.41 122.45 126.74 140.50 25 80.92 83.25 89.73 94.84 98.47 103.58 107.21 118.85 30 70.58 72.61 78.26 82.72 85.88 90.34 93.51 103.66 35 62.87 64.68 69.72 73.69 76.51 80.48 83.30 92.34 40 56.88 58.52 63.07 66.67 69.22 72.81 75.36 83.54 45 52.07 53.57 57.74 61.03 63.36 66.65 68.99 76.48 50 48.12 49.50 53.35 56.39 58.55 61.59 63.75 70.67 55 44.80 46.09 49.67 52.50 54.51 57.34 59.35 65.79 60 41.97 43.17 46.53 49.19 51.07 53.72 55.60 61.64 Figura 36: Curva Intensidad – Duración - Frecuencia Cuadro 21 : Hietograma de diseño TR= 50, 75, 150 y 500 años Hietogramas - Modelo Dyck -Peschke - Intensidades Tr = 50 Tr = 75 Tr = 150 Tr = 200 Tr = 500 1.09 1.14 1.25 1.30 1.46 1.16 1.22 1.34 1.39 1.56 1.25 1.32 1.44 1.49 1.68 1.35 1.43 1.56 1.62 1.82 1.48 1.56 1.71 1.77 2.00 1.65 1.73 1.90 1.97 2.22 1.86 1.96 2.14 2.22 2.50 2.14 2.26 2.47 2.56 2.88 2.56 2.70 2.95 3.06 3.44 3.23 3.41 3.72 3.87 4.35 4.55 4.79 5.24 5.44 6.12 8.77 9.24 10.11 10.49 11.80 46.35 48.84 53.41 55.43 62.39 5.88 6.20 6.78 7.03 7.92 3.76 3.96 4.33 4.50 5.06 2.85 3.00 3.28 3.41 3.84 2.33 2.45 2.68 2.79 3.14 1.99 2.09 2.29 2.38 2.68 1.74 1.84 2.01 2.09 2.35 1.56 1.64 1.80 1.87 2.10 1.42 1.49 1.63 1.69 1.91 1.30 1.37 1.50 1.55 1.75 1.20 1.27 1.39 1.44 1.62 1.12 1.18 1.29 1.34 1.51 Figura 37: Hietograma de diseño TR= 50 años Figura 38: Hietograma de diseño TR= 75 años Figura 39: Hietograma de diseño TR= 150 años Figura 40: Hietograma de diseño TR= 200 años Figura 41: Hietograma de diseño TR= 500 años 4.4. GENERACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS 4.4.1. Generación de Caudales - Método hidrológico con HEC-HMS 4.4.1.1. Métodos de cálculo elegido Los métodos de cálculo elegidos en este estudio son: · Método del Número de Curva del Soil Conservation Service3 (SCS) para las pérdidas por infiltración. · Hidrograma Unitario del SCS para el proceso de transformación precipitación neta-escorrentía. · Método de Muskingum-Cunge para los tránsitos en cauce. Los aportes por flujo base no se consideran ya que en la zona de estudio no se dan. Tampoco se consideran las pérdidas por evapotranspiración, ya que la modelización de avenidas es un proceso de tipo evento, cuya duración es de unas pocas horas, siendo por tanto despreciables las posibles pérdidas ocasionadas por la evapotranspiración en tan corto espacio de tiempo. Respecto al modelo meteorológico no se han usado los patrones de distribución de precipitación que lleva implementados el programa, sino que se han creado los hietogramas de precipitación externamente. 4.4.1.1.1. Métodos de número de curvas de SCS El método del Número de Curva (CN) es una técnica semi empírica desarrollada por el SCS para estimar la infiltración. Este método considera todas las pérdidas netas menos la evaporación real. El parámetro del Número de Curva, que se encuentra tabulado, depende de tres parámetros: · Tipo de suelo, relacionado con el potencial de escurrimiento del suelo. · Uso y tratamiento del suelo. · Condición de humedad antecedente. Respecto al tipo de suelo hay que clasificarlo en uno de los cuatros grupos hidrológicos existentes. Estos grupos van desde A hasta D, representando el grupo A un potencial de escurrimiento mínimo y el D un potencial de escurrimiento alto. Para asignar a un suelo un grupo determinado hay que considerar su composición, su textura y la profundidad del nivel freático. Cuadro 22: Clasificación de suelos a efectos de umbral de escorrentía Los valores de CN para varios tipos de uso de la tierra en estos tipos de suelos se muestran en la Tabla Nº 19. Para una cuenca hecha de varios tipos de suelos y con diferentes usos de la tierra, se puede calcular un CN compuesto. Cuadro 23: Números de curva de escorrentía para usos selectos de tierra agrícola, suburbana y urbana (condiciones antecedentes de humedad II, Ia = 0.2S). 1. Para una descripción más detallada de los números de curva para usos agrícolas de la tierra, remitirse a Soil Conservation Service, 1972. 2. Una buena cubierta está protegida del pastizaje, y los desechos del retiro de la cubierta del suelo. 3. Los números de curva se calculan suponiendo que la escorrentía desde las casas y de los sucesos se dirige hacia la calle, con un mínimo del agua del techo dirigida hacia el césped donde puede ocurrir infiltración adicional. 4. Las áreas permeables restantes (césped) se consideran como pastizales en buena condición para estos números de curva. 5. En algunos países con climas más cálidos se puede utilizar 95 como número de curva. (Fuente: Hidrología Aplicada (Ven te Chow) 4.4.1.1.2. Hidrograma unitario del SCS El método del hidrograma unitario del SCS fue originalmente desarrollado a partir de datos observados en pequeñas cuencas agrícolas de los Estados Unidos. En este hidrograma el caudal de descarga para un tiempo cualquiera es función del caudal pico y del tiempo al pico del hidrograma producido. El caudal pico es a su vez función del tiempo al pico y del área de la cuenca. Por lo tanto, es el tiempo al pico el parámetro que define el hidrograma. El tiempo al pico en este hidrograma se define como la suma de la mitad de la duración de la precipitación efectiva y un tiempo denominado tiempo lag o de retraso. Conceptualmente este tiempo de retraso se define como la distancia entre el centro de gravedad de la precipitación neta y el pico del hidrograma producido. Este tiempo es el que hay que introducir en el programa, y empíricamente se asume que es igual al 60% del tiempo de concentración de la cuenca, expresado en minutos. 4.4.1.1.3. Método de muskingum En los puntos en los que se unen varios elementos hidrológicos y el flujo resultante viaja en cauce es necesario realizar un tránsito del hidrograma entrante para obtener el hidrograma de salida. Este tránsito estará formado por una traslación y una atenuación del hidrograma de entrada. En este trabajo se propone usar el método de Muskingum-Cunge, que es una modificación del método de Muskingum. El método de Muskingum, aunque está muy aceptado y es muy fácil de usar, incluye parámetros que no están físicamente basados y por lo tanto son difíciles de estimar. Una extensión del método de Muskingum es el método de Muskingum-Cunge que supera estas limitaciones. Cunge combinó métodos hidráulicos con la simplicidad del método de Muskingum. Calcula las dos constantes utilizadas en el método de Muskingum, K y X mediante parámetros hidráulicos del cauce. Dónde: ∆x = Longitud del tramo de cauce considerado. C = Celeridad = Velocidad media · m Velocidad media: Velocidad obtenida con la expresión de Manning: M = Aproximadamente 5/3 para cauces naturales amplios. S0 = Pendiente media del tramo. Q = Caudal. B = Ancho del cauce. Por lo tanto, los parámetros necesarios para aplicar el método de Muskingum-Cunge son: · Longitud del tramo · Pendiente media del tramo · Coeficiente de rugosidad del tramo · Forma y dimensiones de la sección 4.4.1.2. Resultados del Software HEC HMS. Luego del proceso de convolución discreta, se obtienen los hidrogramas de máximas avenidas, donde se muestran los resultados para la cuenca y el periodo de retorno, así como los resultados en forma completa de los caudales pico en toda la red topológica de las microcuencas aportantes a la vía de intervención para el periodo de retorno de análisis. Finalmente se muestra los Gráficos de hidrogramas de máximas avenidas mediante el programa HEC-HMS 4.6.1 para el periodo de retorno de análisis, así como la red topológica ingresada al programa. Cuadro 24: Resultados en HEC HMS Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) 01. Cuenca 3.86 28.06 14. Cuenca0.13 0.75 01. Rio 0.01 0.05 14. Salida 0.13 0.75 01. Salida 3.88 28.12 15. Cuenca 0.01 0.04 02. Cuenca 0.01 0.06 15. Salida 0.01 0.04 02. Rio 0.02 0.12 16. Cuenca 2.22 11.86 02. Salida 0.01 0.06 16. Salida 2.22 11.86 03. Cuenca 8.44 61.29 17. Cuenca 0.04 0.22 03. Rio 0.01 0.02 17. Salida 0.04 0.22 03. Salida 8.56 61.73 18. Cuenca 0.01 0.08 04. Cuenca 0.03 0.14 18. Salida 0.01 0.08 04. Rio 0.01 0.05 19. Cuenca 0.03 0.16 04. Salida 0.03 0.14 19. Salida 0.03 0.16 05. Cuenca 0.02 0.09 20. Cuenca 0.02 0.09 05. Rio 0.05 0.23 20. Salida 0.02 0.10 05. Salida 0.03 0.12 21. Cuenca 0.00 0.01 06. Cuenca 0.03 0.14 21. Salida 0.00 0.01 06. Rio 0.03 0.11 22. Cuenca 0.05 0.27 06. Salida 0.05 0.26 22. Salida 0.05 0.27 07. Cuenca 0.01 0.06 23. Cuenca 0.02 0.12 07. Rio 0.04 0.18 23. Salida 0.02 0.12 07. Salida 0.01 0.06 24. Cuenca 0.01 0.03 08. Cuenca 0.00 0.02 24. Salida 0.01 0.03 08. Rio 0.00 0.01 25. Cuenca 0.04 0.23 08. Salida 0.00 0.02 25. Salida 0.04 0.23 09. Cuenca 0.01 0.03 26. Cuenca 0.05 0.31 09. Salida 0.01 0.03 26. Salida 0.05 0.31 10. Cuenca 0.02 0.12 27. Cuenca 0.03 0.16 10. Salida 0.02 0.12 27. Salida 0.03 0.16 11. Cuenca 0.02 0.13 28. Cuenca 0.02 0.13 11. Salida 0.02 0.13 28. Salida 0.02 0.13 12. Cuenca 0.04 0.23 29. Cuenca 0.22 1.58 12. Salida 0.04 0.23 29. Salida 0.22 1.58 13. Cuenca 0.03 0.18 30. Cuenca 0.08 0.47 13. Salida 0.03 0.18 30. Salida 0.08 0.47 31. Cuenca 0.04 0.25 Figura 42: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 01 (puente 01) Figura 43: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 03 (puente 02) Figura 44: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 16 (Baden) Figura 45: Resultados de la simulación con el Software HEC HMS cuenca 29 (Puente 03) 4.4.1.3. Precipitación efectiva, retenciones y escorrentía directa Los resultados se han obtenido para un periodo de retorno de 75 años para alcantarillas Y 150 años para puente para las microcuencas aportantes a ruta de las comunidades de ivanquiriari y camoniato del centro poblado de samaniato para finalmente obtener el hidrograma total de máximas avenidas para el diseño del canal. Figura 46: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 01 (puente 01) Figura 47: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 03 (puente 02) Figura 48: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 16 (Baden) Figura 49: Precipitación efectiva e hidrograma de escorrentía en la cuenca 29 (puente 03) 4.4.1.4. Caudales máximos o caudales picos El caudal de máximas avenidas se ha determinado en la zona del proyecto con la finalidad de tener una representación más real del comportamiento del flujo y de acuerdo a estos resultados se recomendará el diseño correspondiente de puente. Aquí los resultados para los periodos de retorno de 150 años, Alcantarilla 75 años y las cunetas 50 años Figura 50: Caudal máximo de para el puente 01 Cuadro 25: Caudal máximo según HEC HMS Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) 01. Cuenca 3.86 28.06 14. Cuenca 0.13 0.75 01. Rio 0.01 0.05 14. Alcantarilla 5 0.13 0.75 01. Puente 1 3.88 28.12 15. Cuenca 0.01 0.04 02. Cuenca 0.01 0.06 15. Alcantarilla 6 0.01 0.04 02. Rio 0.02 0.12 16. Cuenca 2.22 11.86 02. Salida 0.01 0.06 16. Baden 2.22 11.86 03. Cuenca 8.44 61.29 17. Cuenca 0.04 0.22 03. Rio 0.01 0.02 17. Alcantarilla 7 0.04 0.22 03. Puente 2 8.56 61.73 18. Cuenca 0.01 0.08 04. Cuenca 0.03 0.14 18. Alcantarilla 8 0.01 0.08 04. Rio 0.01 0.05 19. Cuenca 0.03 0.16 04. Salida 0.03 0.14 19. Alcantarilla 9 0.03 0.16 05. Cuenca 0.02 0.09 20. Cuenca 0.02 0.09 05. Rio 0.05 0.23 20. Alcantarilla 10 0.02 0.10 05. Alcantarilla 1 0.03 0.12 21. Cuenca 0.00 0.01 06. Cuenca 0.03 0.14 21. Alcantarilla 11 0.00 0.01 06. Rio 0.03 0.11 22. Cuenca 0.05 0.27 06. Salida 0.05 0.26 22. Alcantarilla 12 0.05 0.27 07. Cuenca 0.01 0.06 23. Cuenca 0.02 0.12 07. Rio 0.04 0.18 23. Alcantarilla 13 0.02 0.12 07. Alcantarilla 2 0.01 0.06 24. Cuenca 0.01 0.03 08. Cuenca 0.00 0.02 24. Alcantarilla 14 0.01 0.03 08. Rio 0.00 0.01 25. Cuenca 0.04 0.23 08. Salida 0.00 0.02 25. Alcantarilla 15 0.04 0.23 09. Cuenca 0.01 0.03 26. Cuenca 0.05 0.31 09. Salida 0.01 0.03 26. Alcantarilla 16 0.05 0.31 10. Cuenca 0.02 0.12 27. Cuenca 0.03 0.16 10. Salida 0.02 0.12 27. Alcantarilla 17 0.03 0.16 11. Cuenca 0.02 0.13 28. Cuenca 0.02 0.13 11. Alcantarilla 3 0.02 0.13 28. Alcantarilla 18 0.02 0.13 12. Cuenca 0.04 0.23 29. Cuenca 0.22 1.58 12. Salida 0.04 0.23 29. Puente 3 0.22 1.58 13. Cuenca 0.03 0.18 30. Cuenca 0.08 0.47 13. Alcantarilla 4 0.03 0.18 30. Alcantarilla 19 0.08 0.47 31. Alcantarilla 20 0.04 0.25 V. ESTUDIO HIDRÁULICO 5.1. Estudio hidráulico y sus propiedades y definiciones Para conocer el comportamiento del flujo en cauces naturales o simplemente en canales con secciones conocidas, es necesario contar con la teoría básica de la hidráulica y las leyes físicas que gobiernan su comportamiento. De las ecuaciones básicas y los principios físicos de movimiento de fluidos, se aplican a la solución del flujo gradualmente variado, obteniendo como resultados los niveles o tirantes a lo largo del cauce. También es necesario contar con metodologías para calcular el área y el perímetro mojado en una sección transversal. 5.1.1. Propiedades Físico-hidráulicas de los canales abiertos. Un canal es un conducto natural o artificial por donde fluye un líquido valiéndose únicamente de la acción de la fuerza de gravedad. Se caracteriza por presentar una superficie libre expuesta a presión atmosférica. 5.1.2. Características físico-hidráulicas de un canal Área hidráulica (A), se refiere a la sección transversal ocupada por el flujo en un canal, m². Perímetro mojado (P), es la longitud de la línea de contacto entre el agua y la superficie mojada del canal, m. Profundidad del flujo o Tirante hidráulico (y), es la distancia vertical a la plantilla, medida desde la superficie libre del agua al punto más bajo de la sección transversal. Ocasionalmente se le confunde con el tirante normal de la sección (d), el cual se mide en forma perpendicular al fondo del canal. Cuando el ángulo θ, que forma la pendiente longitudinal del canal con respecto al plano horizontal de referencia es muy pequeño, el tirante hidráulico y se puede considerar igual al tirante normal d. La relación entre ambos tirantes es: Ancho de la superficie libre o Espejo (T), es el ancho de la sección del canal, medido al nivel de la superficie libre. Profundidad hidráulica o Tirante medio (D), es la relación entre el área hidráulica y el ancho de la superficie libre. Figura 51: Elementos geométricos de un canal, sección transversal Figura 52: Elementos geométricos de un canal, sección longitudinal Radio hidráulico (R), es el parámetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal y es el cociente del área hidráulica y su perímetro mojado. Talud (z), es la inclinación de las paredes de la sección transversal y corresponde a la distancia horizontal z recorrida desde un punto sobre la pared, para ascender la unidad de longitud a otro punto sobre la misma, generalmente se expresa 1:z. Factor de sección para el cálculo de flujo uniforme, se expresa de la siguiente manera: Factor de sección para el cálculo de régimen crítico (Z), es el producto del área hidráulica y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica. De acuerdo con la figura 25, la pendiente longitudinaldel canal, So = tan θ. Sotelo recomienda que, “en la práctica θ sea menor o igual a 0.14 rad. (8°), esto es, canales de pendiente pequeña, para los que tan θ ≤ 0.14054 y sen θ ≤ 0.13917, de modo que la pendiente se pueda confundir con sen θ, sin incurrir en error mayor del uno por ciento” 5.1.3. Clasificación de flujo. En la clasificación de los diferentes tipos de flujos, se deben satisfacer las siguientes condiciones. · Cumplir con la ecuación de continuidad · Flujo unidimensional · Considerar al flujo como incompresible Para hacer la clasificación se considera la variación de la profundidad respecto al espacio o respecto al tiempo. Flujo uniforme. El flujo uniforme (figura 26), es aquel que tomando como criterio el espacio, las características hidráulicas no cambian entre dos secciones separadas una distancia “X”, es decir: (dv/dx) = 0 Figura 53: Perfil longitudinal de un canal, mostrando flujo uniforme Flujo no uniforme. Es aquel en el cual las características hidráulicas cambian entre dos secciones, es decir: (dv/dx) ≠ 0. Figura 54: Perfil longitudinal de un canal, mostrando flujo no uniforme. Flujo permanente. Es aquel en el que tomando como criterio el tiempo, las características hidráulicas permanecen constantes, es decir: (dv/dt) = 0 Figura 55: Esquematización del flujo permanente Flujo no permanente. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian en el tiempo (figura 28), es decir: (dv/dt) ≠ 0 Figura 56: Esquematización del flujo no permanente Flujo rápidamente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian rápidamente, en un espacio relativamente corto (figura 30). Figura 57: Flujo rápidamente variado Flujo gradualmente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian de manera gradual con la longitud (figura 31). Figura 58: Flujo gradualmente variado. 5.1.4. Estado y régimen del flujo. Estado del flujo. Dependiendo de la magnitud de la proporción de las fuerzas de inercia sobre las fuerzas de viscosidad número de Reynolds (Re), el estado del flujo para canales a superficie libre, se clasifica como: · Laminar Re ≤ 500 · Transitorio 500 ≤ Re ≤ 12500 · Turbulento 12500 ≤ Re Siendo Donde: V = velocidad del flujo en m/s L = longitud característica en m. La longitud característica en conductos a superficie libre es igual a cuatro veces el radio hidráulico R. ν = viscosidad cinemática del fluido en m² /s Si las fuerzas viscosas predominan sobre las de inercia, se considera el estado del flujo como laminar, mientras que cuando las fuerzas de inercia predominan sobre las viscosas se considera el estado del flujo como turbulento. Régimen del flujo. Si se relacionan las fuerzas de inercia con las fuerzas gravitacionales se obtiene un parámetro adimensional conocido como número de Froude (Fr), el cual permite clasificar al flujo como subcrítico, crítico y supercrítico. El número de Froude se escribe Donde: V = velocidad media del flujo, m/s g = aceleración de la gravedad, m/s2 D = profundidad hidráulica, m Dependiendo de la magnitud de la proporción de las fuerzas de gravedad e inercia, el régimen del flujo es clasificado como: · Subcrítico Fr < 1 · Crítico Fr = 1 · Supercrítico Fr > 1 5.1.5. Cálculo del tirante normal Para el análisis y diseño de las alcantarillas, cunetas y puente es necesario conocer el Tirante Normal, que forma parte de las características hidráulicas de un drenaje. En la mayoría de los textos exponen los cálculos numéricos solo para canales con secciones transversales conocidos tales como rectangulares, triangulares, trapezoidales, parabólicos y otros que derivan a ecuaciones lineales en la solución del tirante normal, entonces para el cálculo del tirante se optará por estos cálculos numéricos mediante el software H canales. 5.1.6. Consideraciones básicas de diseño Para fines de diseño, el periodo de retorno se escoge según el tipo de obra o proyecto, así como la experiencia y criterio de quien diseña. Los caudales de diseño de la infraestructura para drenar la escorrentía de precipitaciones de moderada frecuencia, es decir, periodos de retorno de 50,75 años o menor, con el fin de prevenir la inundación de edificaciones, carreteras y áreas colindantes, son calculado a través de los siguientes métodos: · El hidrograma unitario, deducido o sintético (hidrograma adimensional de SCS, hidrograma de Snyder, entre otros), o modelos de simulación. El caudal que no es conducido en colectores, discurre por los canales naturales o artificiales, veredas, pistas, superficie del terreno u otros. Para la determinación del caudal de diseño se toma en cuenta la información obtenida de curvas Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF), que genera y aprueba el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú (SENAMHI) para todo el territorio nacional, en el marco de sus competencias. 5.1.7. Captación en zona vehicular Para la evacuación de las aguas pluviales en calzadas, veredas y las provenientes de las viviendas se tendrá en cuenta las siguientes consideraciones: 5.1.8. Orientación del flujo En el diseño de pistas se deberá prever pendientes longitudinales (Sl) y transversales (St) a fin de facilitar la concentración del agua que incide sobre el pavimento hacia los extremos o bordes do la calzada. Las pendientes a considerar son: · Pendiente Longitudinal (Sl) > 0,5%. · Pendiente Transversal (St) de 2% a 4% 5.1.9. Captación y transporte de aguas pluviales de calzada y aceras La evacuación de las aguas que discurren sobre la calzada y aceras se realizará mediante cunetas, las que conducen el flujo hacia las zonas bajas donde los sumideros captarán el agua para conducirlas mediante la cuneta planteado en este estudio hacia la quebrada conveniente. a) Las cunetas construidas para este fin tienen la siguiente forma: · Sección Rectangular. b) Determinación de la capacidad del drenaje. La capacidad de los drenajes depende de su sección transversal, pendiente y rugosidad del material con que se construyan. La capacidad de conducción se hará en general utilizando la Ecuación de Manning. c) Coeficiente de rugosidad La siguiente tabla se muestra los valores del coeficiente de rugosidad de Manning correspondientes a los diferentes acabados de los materiales de las cunetas de las calles y berma central. Cuadro 26: Coeficiente de rugosidad de Manning d) Colectores de aguas pluviales La cuneta de aguas pluviales está conformada por un conjunto de colector superficial necesario para evacuar la escorrentía superficial producida por las lluvias a un curso de agua. El agua es captada a través de los sumideros en las calles y llevada a la red de cuneta superficial que va aumentando su tirante a medida que aumenta el área de cuneta y descarga directamente al punto más cerca de un curso de agua. 5.1.10. Diseño hidráulico de la cuneta rural. En el diseño hidráulico de los colectores de agua de lluvia, se podrán utilizar los criterios de diseño de conductos cerrados. Para el cálculo de los caudales se usará la fórmula de Manning con los coeficientes de rugosidad para cada tipo de material, según el cuadro siguiente: Cuadro 27: Coeficiente de rugosidad de Manning El colector debe estar en capacidad de evacuar un caudal a sección lleno igual o mayor que el caudal de diseño. 5.1.11. Velocidad mínima La velocidad mínima de 0,90 m/s fluyendo las aguas a sección lleno es requerida para evitar la sedimentación de las partículas que como las arenas y gravas acarrea el agua de lluvia. 5.1.12. Velocidad máxima La velocidad máxima en los colectores con cantidades no significativas de sedimentos en suspensión es función del material del que están hechas las tuberías y no deberá exceder los valores indicados en el cuadro Nº 24 a fin de evitar la erosión de las paredes. Cuadro 28: Velocidad Máxima para tuberías de alcantarillado (m/s) Velocidad Máxima para tuberías de alcantarillado (m/s) Material de la Tubería Agua con fragmentos de Arena y Grava Asbesto Cemento 3,0 Hierro Fundido Dúctil 3,0 Cloruro de Polivinilo6,0 Poliéstfer reforzado con fibra de vidrio 3,0 Arcilla.Vitrificada 3,5 Concreto Armado de: 140 Kg/cm2 2,0 210 Kg/cm2 3,3 250 Kg/cm2 4,0 280 Kg/cm2 4,3 315 Kg/cm2 5,0 Concreto Armado de curado al vapor > 280 Kg/cm2 6,6 5.1.13. Pendiente mínima. Las pendientes mínimas de diseño de acuerdo a la sección, serán aquellas que satisfagan la velocidad mínima de 0,90 m/s fluyendo a sección lleno. Por este propósito, la pendiente de cuneta algunas veces incrementa en exceso la pendiente de la superficie del terreno. 5.1.14. Diseño hidráulico del canal de cuneta. El diseño hidráulico se realizó a través del software H Canales, el cual nos permite determinar las características hidráulicas de canales, como su nombre lo indica. La mayor ventaja de este programa es que te permite simplificar bastante los cálculos laboriosos y comprobar rápidamente cualquier proyecto que llegue a tus manos, para hacer cualquier cálculo tenemos varias opciones como, por ejemplo: · Calcular el tirante crítico · Calcular el tirante normal · Calcular la curva de remanso · Calcular caudales · Calcular el resalto hidráulico Figura 59: Seccion tipica de cuneta triangular 5.1.15. Consideraciones para el diseño 5.1.16. Borde libre El borde libre en alcantarillas es un parámetro muy importante a tomar en cuenta durante su diseño hidráulico, por ello, las alcantarillas no deben ser diseñadas para trabajar a sección llena, ya que esto incrementa su riesgo de obstrucción, afectando su capacidad hidráulica. Se recomienda que el diseño hidráulico considere como mínimo el 25 % de la altura, diámetro o flecha de la estructura. 5.1.17. Socavación local a la salida de las alcantarillas Si la velocidad del flujo a la entrada y particularmente a la salida de la alcantarilla es alta, puede producir procesos de socavación local que afecte su estabilidad, por ello, se recomienda la protección del cauce natural mediante la construcción de emboquillados de piedra, enchapado de rocas acomodadas u otros tipos de revestimientos, los cuales deberán extenderse hasta zonas donde la socavación local no tenga incidencia sobre la protección. Una medida para reducir la velocidad del flujo, es la construcción de aliviaderos de entrada y salida de la alcantarilla en forma escalonada con el objetivo de disipar la energía hidráulica. A continuación, se presenta la fórmula de Laushey que permite calcular el diámetro medio de los elementos de protección a la salida de alcantarillas en función de la velocidad del flujo Donde: d50: Diámetro medio de los elementos de protección (m) V: Velocidad media del flujo a la salida de la alcantarilla (m/s) g: Aceleración de la gravedad (m/s²) 5.1.18. Badenes El diseño de badenes debe contemplar necesariamente la construcción de obras de protección contra la socavación y uñas de cimentación en la entrada y salida, así como también losas de aproximación en la entrada y salida del badén. Dependiendo del tipo de material de arrastre que transporte el curso natural donde se ubicará el badén, se pueden adoptar diseños mixtos, es decir badén – alcantarilla, que permitan evacuar flujos menores en épocas de estiaje y a su vez flujos de materiales sólidos en períodos extraordinarios, sin embargo, estos diseños deben ser estudiados minuciosamente para poder ser empleados, mediante un estudio integral de la cuenca que drenará el badén, ya que el material transportado puede originar represamientos, poniendo en riesgo su estabilidad y permanencia. La ventaja de las estructuras tipo badén es que los trabajos de mantenimiento y limpieza se realizan con mayor eficacia, siendo el riesgo de obstrucción muy bajo. 5.1.19. Consideraciones para el diseño 5.1.20. Material sólido de arrastre El material de arrastre es un factor importante en el diseño del badén, recomendándose que no sobrepase el perímetro mojado contemplado y no afecte los lados adyacentes de la carretera. Debido a que el material sólido de arrastre constituido por lodo, palizada u otros objetos flotantes, no es posible cuantificarlo, se debe recurrir a la experiencia del especialista, a la recopilación de antecedentes y al estudio integral de la cuenca, para lograr un diseño adecuado y eficaz. b) Protección contra la socavación Es importante que el badén proyectado cuente con obras de protección contra la socavación, a fin de evitar su colapso. Según se requiera, la protección debe realizarse tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura, mediante la colocación de enrocados, gaviones, pantallas de concreto u otro tipo de protección contra la socavación, en función al tipo de material que transporta el curso natural. Asimismo, si el estudio lo amerita, con la finalidad de reducir la energía hidráulica del flujo a la entrada y salida del badén, se recomienda construir disipadores de energía, siempre y cuando estas estructuras no constituyan riesgos de represamientos u obstrucciones. El diseño del badén también deberá contemplar uñas de cimentación tanto a la entrada como a la salida de la estructura, dichas uñas deberán desplantarse preferentemente sobre material resistente a procesos erosivos. c) Pendiente longitudinal del badén El diseño hidráulico del badén debe adoptar pendientes longitudinales de ingreso y salida de la estructura de tal manera que el paso de vehículos a través de él, sea de manera confortable y no implique dificultades para los conductores y daño a los vehículos. d) Pendiente transversal del badén Con la finalidad de reducir el riesgo de obstrucción del badén con el material de arrastre que transporta curso natural, se recomienda dotar al badén de una pendiente transversal que permita una adecuada evacuación del flujo. Se recomienda pendientes transversales para el badén entre 2 y 3%. e) Borde libre El diseño hidráulico del badén también debe contemplar mantener un borde libre mínimo entre el nivel del flujo máximo esperado y el nivel de la superficie de rodadura, a fin de evitar probables desbordes que afecten los lados adyacentes de la plataforma vial. Generalmente, el borde libre se asume igual a la altura de agua entre el nivel de flujo máximo esperado y el nivel de la línea de energía, sin embargo, se recomienda adoptar valores entre 0.30 y 0.50m. 5.1.21. Diseño hidráulico Para el diseño hidráulico se idealizará el badén como un canal trapezoidal con régimen uniforme. Este tipo de flujo tiene las siguientes propiedades: a) La profundidad, área de la sección transversal, velocidad media y gasto son constantes en la sección del canal. b) La línea de energía, el eje hidráulico y el fondo del canal son paralelos, es decir, las pendientes de la línea de energía, de fondo y de la superficie del agua son iguales. El flujo uniforme que se considera es permanente en el tiempo. Aun cuando este tipo de flujo es muy raro en las corrientes naturales, en general, constituye una manera fácil de idealizar el flujo en el badén, y los resultados tienen una aproximación práctica adecuada. La velocidad media en un flujo uniforme cumple la ecuación de Manning, que se expresa por la siguiente relación: Donde el gasto viene dado por la siguiente relación: Donde: Q: Caudal (m³/s) V: Velocidad media de flujo (m/s) A: Área de la sección hidráulica (m²) P: Perímertro mojado (m) R: Radio hidráulico (m) S: Pendiente de fondo (m/m) n: Coeficiente de Manning 5.1.22. Puentes 5.1.23. Aspectos generales Los puentes son las estructuras mayores que forman parte del drenaje transversal de la carretera y permiten salvar o cruzar un obstáculo natural, el cual puede ser el curso de una quebrada o un río. La profundidad del estudio hidráulico tiene que depender de ciertas características del puente en particular, como podrían ser: su importancia dentro de la red vial, consecuencias de su falla, costo, tipo de estructura, riesgos aceptables, etc. A las que debe añadirse las correspondientes al río. En el presente Manual se definirá como puente a la estructura cuya luz sea mayor o igual a 6.0 m, siguiendo loestablecido en las especificaciones AASHTO LRFD. 5.1.24. Consideraciones para el diseño a) Información básica Los estudios de hidráulica fluvial para puentes, que incluye, aspectos topográficos, ejecución de muestreos para la determinación de diámetros representativos del lecho y criterios para la estimación de la rugosidad del lecho. b) Topografía – Batimetría del cauce y zonas adyacentes El levantamiento topográfico debe comprender lo siguiente: c) Ubicación del puente La elección de la ubicación del puente debe ser la más óptima, desde el punto de vista hidráulico, geotécnico y de diseño Vial; es decir debe ser tal, que el curso natural no afecte su estabilidad y a su vez el puente no produzca cambios morfológicos en el curso natural. 5.1.25. Muestreo y caracterización del material del lecho El objetivo del muestreo y caracterización del material del lecho es la determinación del tamaño representativo que englobe todo el espectro de tamaños presentes en él. El muestreo del material de cauce deberá ser representativo, para determinar su gravedad específica y análisis granulométrico. Las muestras del material del cauce deben ser tomadas al menos en cuatro puntos, dos en el eje del puente, y a 0.5B y B metros aguas arriba, donde B es el ancho promedio del río. En cada punto se deben tomar tres muestras: en la superficie, a 1.5 veces el tirante promedio del río, y a una profundidad intermedia, siempre y cuando las condiciones de excavación y la presencia de agua lo permiten. La elección del tamaño representativo para el cálculo de la socavación en cauces naturales, usualmente se realiza de la siguiente manera: · Obteniendo el D50 de toda la distribución granulométrica, comúnmente considerado como el diámetro representativo de toda la distribución. · También se utiliza el diámetro medio de la distribución mediante la siguiente relación Donde: Di : Es el tamaño de la partícula en que el i(%) indica el porcentaje en peso de las fracciones de las partículas cuyo tamaño es menor o igual a ese diámetro Di . ∆pi : Es el porcentaje en peso del material cuyo tamaño cae dentro del intervalo cuya marca de clase es Di , para i = 1…n intervalos. 5.1.26. Avenida de diseño o caudal máximo y períodos de retorno · Para obtener la avenida de diseño en el tramo fluvial de emplazamiento del puente, se deberá compatibilizar el período de retorno del evento hidrológico, con el riesgo admisible y la vida útil de la obra, este último obviamente, dependerá del tipo de material constitutivo del puente En caso de que el puente se construya en una ciudad con alta densidad de población, o se ubique medianamente aguas abajo de ésta, sobre un río de amplias llanuras de inundación, el período de retorno debe ser superior a 100 años. · Para la estimación de la profundidad de socavación, el período de retorno mínimo deberá ser igual al utilizado en el diseño del puente y para un caudal de no más de 500 años de periodo de retorno que es el caudal para verificar la estabilidad de la cimentación del puente. En ese caso, se considera que se trata de un evento extremo. 5.1.27. Gálibo o Altura libre El gálibo se define como el espacio libre entre el nivel máximo del flujo de crecida y el nivel inferior del tablero del puente proyectado. El objetivo del gálibo es dejar pasar las fluctuaciones de flujo cuando la corriente interactúa con la estructura proyectada producto de la sobrelevación del flujo, por efectos de remanso, transporte de materiales flotantes como ramas, palizadas, troncos e incluso árboles y otros materiales flotantes que transporta la corriente. En la etapa de diseño de puentes, se recomienda lo siguiente: · Cuando existe evidencia que la corriente transporta material sólido, troncos, palizada u otros objetos voluminosos, el gálibo mínimo asociado al nivel de aguas máximas deberá ser, 2.5 m. · En el caso que la corriente sea relativamente limpia, se considerará un gálibo de 2.0 m por encima del nivel de aguas máximas extraordinarias. · En el caso de ríos navegables, la altura del gálibo se sujetará a lo establecido en el Manual de Diseño Geométrico – DG-2001. 5.1.28. Coeficiente de rugosidad de cauces naturales (n de Manning) n0 : Rugosidad base para un canal recto, uniforme, prismático y con rugosidad homogénea. n1 : Rugosidad adicional debida a irregularidades superficiales del perímetro mojado a lo largo del tramo en estudio. n2 : Rugosidad adicional equivalente debida a variación de forma y de dimensiones de las secciones a lo largo del tramo en estudio. n3 : Rugosidad equivalente debida a obstrucciones existentes en el cauce. n4 : Rugosidad adicional equivalente debida a la presencia de vegetación. m5 : Factor de corrección para incorporar efecto de sinuosidad del cauce o presencia de meandros Cuadro 29: Tabla de Cowan para determinar la influencia de diversos factores CONDICIONES DEL CANAL VALORES Material involucrado Tierra n0 0.020 Corte en roca 0.025 Grava fina 0.024 Grava gruesa 0.028 Grado de irregularidad Suave Menor n1 0.000 Moderado 0.005 Severo 0.010 Tierra 0.020 Variaciones de la sección transversal Gradual n2 0.000 Ocasionalmente alternante 0.050 Frecuentemente alternante 0.010 - 0.015 Efecto relativo de las Obstrucciones Insignificante n3 0.000 Menor 0.010 - 0.015 Apreciable 0.020 - 0.030 Severo 0.040 - 0.060 Vegetación Baja n4 0.005 - 0.010 Media 0.010 - 0.025 Alta 0.025 - 0.050 Muy alta 0.050 - 0.100 Grado de los efectos por meandro Menor m5 1.000 Apreciable 1.150 Severo 1.300 Cuando los lechos de los cauces naturales están constituidos por material pedregoso, donde el sedimento es representado por un diámetro medio, se recomienda el uso de la ecuación de Strickler para la estimación de n0. D : Diámetro representativo de la rugosidad superficial (m) El diámetro D es equivalente al diámetro D65, D90 o D95 dependiendo del acorazamiento del lecho. Particularmente, cuando los sedimentos ofrecen una granulometría gruesa y extendida, el diámetro medio de la coraza es cercano al D90 o D95 obtenido de la curva granulométrica original del lecho 5.1.29. Parámetros hidráulicos para el diseño de puente 5.1.29.1. Perfil de flujo El perfil de flujo permitirá obtener el nivel alcanzado por el agua para el caudal de diseño. El cálculo del perfil de flujo deberá incluir la presencia del puente proyectado, debido a que cuando el flujo interactúa con la estructura, se produce una sobreelevación del nivel de agua a la entrada del puente y una depresión del nivel de agua en la salida, este comportamiento es normal ya que el agua debe ganar energía potencial a fin de que pueda atravesar por la sección contraída. Una vez conocido los niveles de agua, el especialista puede establecer la altura mínima que ofrecerá el puente. 5.1.29.2. Socavación La socavación es un fenómeno hidrodinámico que es la causa más frecuente de falla que afecta las cimentaciones de los puentes. Dicho fenómeno es una combinación de distintos procesos, unos que se producen a largo plazo y otros transitorios por el paso de avenidas. El proceso de socavación en un puente se analiza como erosión potencial total y es de carácter estimativo, la cual combina la socavación producida en la sección del puente y sus inmediaciones, causada por el estrechamiento del cauce debido a su construcción y la socavación local que se produce en las inmediaciones de los pilares y estribos rodeados por la corriente del río. Sin embargo, cabe indicar que estos procesos de socavación son inherentes a la presencia del puente sobre el curso natural, porque existen otros procesos de socavación que ocurren de manera independiente a la presencia del puente y son la socavación general y la socavación en curvas que también deberán ser tomados en cuenta al momento de la estimación de la socavación potencial total. a. Cálculo de niveles de agua Para el estudio de la capacidad hidráulicay el cálculo de la sobreelevación del nivel de agua, se realiza un cálculo en régimen permanente gradualmente variado, la cual permite calcular niveles de agua cuando la geometría fluvial es irregular. El modelo matemático utilizado corresponde a un flujo unidimensional, no uniforme, permanente y de lecho fijo. El modelo se basa en la aplicación de la Ecuación de la Energía: Donde: Zn +Pn : Nivel del pelo de agua en los extremos del tramo (m) Vn: Velocidad media en la sección mojada en los extremos del tramo (m) α1, α2: Coeficiente de la no-uniformidad de distribución de las velocidades en la sección mojada. g: Aceleración de la gravedad (m/s²) E: Total de pérdidas de energía en el tramo del curso de agua considerado en el cálculo, de una longitud L (m) En la ecuación anterior, los subíndices 1 y 2 se refieren a dos secciones distintas, la sección 1 ubicadas aguas arriba de la sección 2. En la solución numérica iterativa de la ecuación, la incógnita es el nivel de agua Z1 + P1/γ en la sección 1 y es dato el nivel de agua en la sección 2, Z2 + P2/γ. Se procede desde aguas abajo hacia aguas arriba cuando el flujo es subcrítico, mientras que se procede en forma inversa cuando el flujo es supercrítico. El cálculo iterativo se puede realizar mediante dos métodos, el primero es el método del paso directo y el segundo es el método del paso estándar. El modelo empleado es el HEC –RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System), actualmente muy utilizado para calcular parámetros hidráulicos para diseño de obras de cruce en cauces naturales desarrollado por el U.S. Army Corps of Engineers. A continuación, se presentan las consideraciones para obtener el perfil de flujo. A. Consideraciones a) En una sección debe existir un tirante conocido. · Si el flujo es subcrítico, se debe conocer la sección aguas abajo. · Si el flujo es supercrítico, se debe conocer la sección aguas arriba. b) Se considera que el flujo es gradualmente variado y permanente. c) En el tramo no existe variación de caudal. Si existe variación de caudal, debe incluirse aguas arriba en cada tramo. d) La pendiente de fondo es pequeña (menor a 10º) B. Estimación de la socavación b.1) Procesos de socavación asociados al diseño de puentes La socavación es un proceso que se produce a largo y corto plazo o transitorio, como en el caso de la ocurrencia de avenidas. Generalmente los fallos ocurren cuando se producen las avenidas, sin embargo, también se presentan con procesos que ocurren a largo plazo. La estimación de la profundidad de socavación para el diseño de puentes debe tomar en cuenta los siguientes aspectos; la socavación que ocurre independientemente de la presencia del puente como socavación general, socavación en curvas, etc., la socavación que ocurre en la sección del puente debido al estrechamiento del cauce por la presencia del puente (socavación por contracción) y la socavación que ocurre en la zona de sus apoyos (socavación local de pilares y estribos rodeados por la corriente). Se recomienda que el valor estimado para la profundidad de socavación potencial total, sea consecuente con lo observado en la etapa de campo, respecto a los materiales que subyacen en el lecho del cauce y sobre la base de los ensayos de laboratorio de las muestras extraídas de las calicatas, pozos exploratorios y de la información obtenida de sondeos geofísicos. Esto, debido a que la estimación de la profundidad de socavación, se realiza mediante métodos empíricos que conllevan en algunos casos a obtener resultados que no son reales El software HEC RAS versión 4.1.1 además de permitir realizar la hidráulica en la zona del puente también permite realizar la estimación de la profundidad de socavación en el puente, por contracción y la socavación local en pilares y estribos usando las ecuaciones recomendadas en HEC-18, 2001. Sin embargo, se deja establecido que la obtención de la sección hidráulica del puente y la estimación de la socavación en sus apoyos, especialmente en nuestro medio no se debe limitar al uso del HEC RAS y debe aplicarse en forma responsable luego de ser calibrado, donde el juicio y criterio ingenieril prevalecen. C. Método de velocidad crítica y agua clara Este método utiliza el criterio del principio de movimiento de un fondo granular bajo una corriente permanente, igual al criterio de Shields y la hipótesis de agua clara, es decir que la corriente no transporta sedimentos. La profundidad máxima de socavación general se alcanza cuando la velocidad crítica es igualada por la velocidad media de la sección, donde la velocidad crítica está en función del parámetro de tensión crítica adimensional, de la fórmula de Strickler para el coeficiente de rugosidad de Manning y las características del material del lecho. Donde: Vcr: Velocidad crítica en la sección (m/s). Rh: Radio hidráulico de la sección (m). D50: Diámetro correspondiente al 50 % en la curva granulométrica (m). D: Diámetro característico del lecho (m). : Peso específico del suelo (T/m³). : Peso específico del agua (T/m³). Para la obtención del diámetro característico D del suelo erosionado puede emplearse el D84 que toma en cuenta el acorazamiento del lecho. D. Método de Lischtvan - Levediev El método propuesto por Lischtvan-Levediev es el más usado en nuestro país para el cálculo de la socavación general incluyendo el efecto de la contracción de un puente. Se fundamenta en el equilibrio que debe existir entre la velocidad media real de la corriente (Vr) y la velocidad media erosiva (Ve). La velocidad erosiva no es la que da inicio al movimiento de las partículas en suelos sueltos, sino la velocidad mínima que mantiene un movimiento generalizado del material del fondo. Si el suelo es cohesivo, es la velocidad que es capaz de levantar y poner el sedimento en suspensión. La velocidad erosiva está en función de las características del sedimento de fondo y de la profundidad del agua. La velocidad real está dada principalmente en función de las características del río: pendiente, rugosidad y tirante o profundidad del agua. El método se basa en suponer que el caudal unitario correspondiente a cada franja elemental en que se divide el cauce natural permanece constante durante el proceso erosivo y puede aplicarse, con los debidos ajustes, para casos de cauces definidos o no, materiales de fondo cohesivos o friccionantes y para condiciones de distribución de los materiales del fondo del cauce homogénea o heterogénea Figura 60: Sección transversal del cauce Figura 61: Sección transversal del cauce con socavación Método de Laursen Considera los casos de socavación en lecho móvil o en agua clara. Es el método mas usado en los Estados Unidos de América, (HEC18,1993,1995). - Cálculo de la socavación por contracción en lecho móvil Se usa una versión modificada de la ecuación de Laursen de 1960 (HEC 18, 1993, 1995 y Laursen E. M., 1960). La ecuación asume que el material del lecho es transportado en la sección aguas arriba del puente. Donde: H s −h2: Profundidad media de socavación por contracción (m) H s: Profundidad media del flujo en el cauce en la sección contraída del puente después de la socavación (m) h1: Profundidad media del flujo en el cauce principal y laderas que transportan sedimentos aguas arriba del puente (m) h2: Profundidad media del flujo en la sección contraída del puente antes de la socavación. Puede usarse h1 en cauces arenosos con lecho móvil, caso en el que el hoyo dejado por la socavación es rellenado con sedimentos (m). Q1: Caudal en la sección aguas arriba del cauce principal y laderas que transportan sedimentos. No incluye flujo sobre las laderas del río con agua clara (m³/s). Q2: Caudal en la sección contraída del puente y laderas que transportan sedimentos. No incluye flujo sobre las laderas del río con agua clara (m³/s) B1: Ancho del cauce principal y laderas en la sección aguas arriba que transportan sedimentos (m) B2: Ancho neto del cauce principal y laderasque transportan sedimentos en la sección contraída sustrayendo el ancho de las pilas (m) k1: Exponente en función del modo de transporte de sedimento, de la velocidad de corte aguas arriba del puente y de la velocidad de caída del material del lecho. Cuadro 30: Valores del coeficiente K1 V/W K1 Modo de transporte del sedimento de lecho < 0.50 0.59 Mucho de material en contacto con el lecho 0.50 a 0.20 0.64 Algo de material de lecho suspendido > 0.20 0.69 Mucho de material de lecho suspendido Fuente: HEC-18, 1993 Figura 62: Algunos casos de obstrucción de estribos 5.1.30. Pérdidas por Contracción y expansión Las pérdidas por contracción y expansión son calculadas como muestra la siguiente ecuación: Donde: C = Coeficiente de contracción y expansión El programa asume que una contracción está ocurriendo cuando la altura de velocidad aguas abajo es mayor que su correspondiente agua arriba; y viceversa, cuando la altura de velocidad aguas arriba es mayor que aguas abajo, el programa asume que está ocurriendo una expansión. Cuadro 31: Coeficiente de Contracción y expansión para flujo subcrítico 5.2. Diseño hidráulico 5.2.1. Diseño hidráulico de cunetas Figura 63: Seccion tipica de cuneta triangular Figura 64: Sección típica de cuneta triangular y los parámetros de cálculo Figura 65: Resultado de cálculo de la cuneta Cuadro 32: Dimesiones típicas de las cunetas Obras de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Coeficiente Manning Pendiente BL mínimo (m) Ht (m) Ancho parcial (m) Espejo de agua (m) Cuneta 0+000 - 0+710 0.260 0.28 0.02 0.06 0.22 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 Cuneta 0+710 - 2+220 0.120 0.27 0.03 0.04 0.23 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 Cuneta 2+220 - 5+788 0.230 0.28 0.02 0.05 0.22 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 5.2.2. Diseño hidráulico de alcantarillas Figura 66: Dimensiones máxima de la alcantarilla de 36 pulgadas Figura 67: Dimensiones máxima de la alcantarilla de 48 pulgadas Cuadro 33: Dimensiones típicas de las alcantarillas Obra de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Rugosidad Pendiente BL mínimo (m) L/D (m) TIPO Alcantarilla 0+530 0.125 0.35 0.03 0.01 0.56 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 0+920 0.059 0.26 0.03 0.01 0.65 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 1+760 0.135 0.36 0.03 0.01 0.55 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 2+560 0.176 0.40 0.03 0.01 0.51 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 2+650 0.171 0.39 0.03 0.01 0.52 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 2+840 0.041 0.23 0.03 0.01 0.98 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 3+130 0.217 0.43 0.03 0.01 0.47 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 3+290 0.082 0.30 0.03 0.01 0.91 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 3+460 0.159 0.38 0.03 0.01 0.53 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 3+540 0.098 0.32 0.03 0.01 0.59 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 3+760 0.012 0.15 0.03 0.01 0.76 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 3+900 0.270 0.47 0.03 0.01 0.44 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 4+670 0.117 0.34 0.03 0.01 0.87 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 4+750 0.029 0.20 0.03 0.01 1.01 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 4+810 0.229 0.44 0.03 0.01 0.47 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 5+000 0.311 0.51 0.03 0.01 0.40 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 5+230 0.164 0.39 0.03 0.01 0.52 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 5+360 0.135 0.36 0.03 0.01 0.85 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 5+820 0.470 0.58 0.03 0.01 0.33 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 5+860 0.252 0.46 0.03 0.01 0.45 36 pulgadas Caja - Ala 5.2.3. Diseño hidráulico de badén Figura 68: Dimensiones de badén Cuadro 34: Dimensiones de badén Obras de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Pendiente BL mínimo (m) Ht (m) Espejo de agua (m) Badén 2+920 11.860 0.37 0.03 0.13 0.50 10.00 5.2.4. Diseño hidráulico de puentes Figura 69: Condiciones de contorno de aguas arriba y aguas abajo Figura 70: Interfaz principal del software HEC-RAS Figura 71: Geometría del cauce del río en estudio puente 01 Figura 72: Geometría del cauce del río en estudio puente 02 Figura 73: Geometría del cauce del río en estudio puente 03 Figura 74: Simulación Hidráulica con Hec-Ras (puente 01) Figura 75: Simulación Hidráulica con Hec-Ras (puente 02) Figura 76: Simulación Hidráulica con Hec-Ras (puente 03) Figura 77: Secciones transversales agua arriba Figura 78: Secciones transversales (puente 01) Figura 79: Secciones transversales (puente 02) Figura 80: Secciones transversales (puente 03) Figura 81: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 01) Figura 82: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 02) Figura 83: Velocidades en el perfil longitudinal del río (puente 03) Cuadro 35: Reporte de resultados río del puete 01 Cuadro 36: Reporte de resultados río del puete 02 Cuadro 37: Reporte de resultados río del puete 03 Figura 84: Parámetros de socavación análisis Figura 85: Socavación por ecuación de clear puente 01 Figura 86: Socavación por ecuación de clear puente 02 Figura 87: Socavación por ecuación de clear puente 03 Figura 88: Socavación por ecuación de clear puente 01 Figura 89: Seccion típico del puente Cuadro 38: Dimensiones de los puentes Descripción Distancia (km) Tirante crítico (m) BL (m) Tirante total (m) Luz del puente (m) H. Socavación (m) Puente 01 0+103.00 0.86 2.50 3.40 20 2.70 Puente 02 0+223.00 1.47 2.50 4.00 20 2.80 Puente 03 5+354.00 0.51 2.50 3.10 10 1.25 VI. CONCLUSIONES 6.1. Caudales máximos Cuadro 39: Caudales de las cuencas aportantes en la ruta de intervención Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) Cuencas Area (Km2) Caudal (m3/s) 01. Cuenca 3.86 28.06 14. Cuenca 0.13 0.75 01. Rio 0.01 0.05 14. Alcantarilla 5 0.13 0.75 01. Puente 1 3.88 28.12 15. Cuenca 0.01 0.04 02. Cuenca 0.01 0.06 15. Alcantarilla 6 0.01 0.04 02. Rio 0.02 0.12 16. Cuenca 2.22 11.86 02. Salida 0.01 0.06 16. Baden 2.22 11.86 03. Cuenca 8.44 61.29 17. Cuenca 0.04 0.22 03. Rio 0.01 0.02 17. Alcantarilla 7 0.04 0.22 03. Puente 2 8.56 61.73 18. Cuenca 0.01 0.08 04. Cuenca 0.03 0.14 18. Alcantarilla 8 0.01 0.08 04. Rio 0.01 0.05 19. Cuenca 0.03 0.16 04. Salida 0.03 0.14 19. Alcantarilla 9 0.03 0.16 05. Cuenca 0.02 0.09 20. Cuenca 0.02 0.09 05. Rio 0.05 0.23 20. Alcantarilla 10 0.02 0.10 05. Alcantarilla 1 0.03 0.12 21. Cuenca 0.00 0.01 06. Cuenca 0.03 0.14 21. Alcantarilla 11 0.00 0.01 06. Rio 0.03 0.11 22. Cuenca 0.05 0.27 06. Salida 0.05 0.26 22. Alcantarilla 12 0.05 0.27 07. Cuenca 0.01 0.06 23. Cuenca 0.02 0.12 07. Rio 0.04 0.18 23. Alcantarilla 13 0.02 0.12 07. Alcantarilla 2 0.01 0.06 24. Cuenca 0.01 0.03 08. Cuenca 0.00 0.02 24. Alcantarilla 14 0.01 0.03 08. Rio 0.00 0.01 25. Cuenca 0.04 0.23 08. Salida 0.00 0.02 25. Alcantarilla 15 0.04 0.23 09. Cuenca 0.01 0.03 26. Cuenca 0.05 0.31 09. Salida 0.01 0.03 26. Alcantarilla 16 0.05 0.31 10. Cuenca 0.02 0.12 27. Cuenca 0.03 0.16 10. Salida 0.02 0.12 27. Alcantarilla 17 0.03 0.16 11. Cuenca 0.02 0.13 28. Cuenca 0.02 0.13 11. Alcantarilla 3 0.02 0.13 28. Alcantarilla 18 0.02 0.13 12. Cuenca 0.04 0.23 29. Cuenca 0.22 1.58 12. Salida 0.04 0.23 29. Puente 3 0.22 1.58 13. Cuenca 0.03 0.18 30. Cuenca 0.08 0.47 13. Alcantarilla 4 0.03 0.18 30. Alcantarilla 19 0.08 0.47 31. Alcantarilla 20 0.04 0.25 ** Se diseñó las cunetas con un tiempo de retorno de 50 años ** Se diseñó las alcantarillas y badén con un tiempo de retornode 75 años ** Se diseñó los puentes con un periodo de retorno de 200 años ** La socavación se analizó con un periodo de retorno de 500 años 6.2. Cunetas Cuadro 40: Dimensiones de cunetas Obras de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Coeficiente Manning Pendiente BL mínimo (m) Ht (m) Ancho parcial (m) Espejo de agua (m) Cuneta 0+000 - 0+710 0.260 0.28 0.02 0.06 0.22 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 Cuneta 0+710 - 2+220 0.120 0.27 0.03 0.04 0.23 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 Cuneta 2+220 - 5+788 0.230 0.28 0.02 0.05 0.22 0.50 C=Adecuar a la zona a = 0.75 ** Se diseñó las cunetas con un tiempo de retorno de 50 años ** Los caudales máximos para las cunetas se consideró las que tienen mayor caudal en dicho tramo por la similitud de las características de dicho tramo Figura 90: Sección típico de cunetas 6.3. Alcantarilla Cuadro 41: Dimensiones de las alcantarillas Obra de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Rugosidad Pendiente BL mínimo (m) L/D (m) TIPO Alcantarilla 1 0+530 0.125 0.35 0.03 0.01 0.56 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 2 0+920 0.059 0.26 0.03 0.01 0.65 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 3 1+760 0.135 0.36 0.03 0.01 0.55 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 4 2+560 0.176 0.40 0.03 0.01 0.51 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 5 2+650 0.171 0.39 0.03 0.01 0.52 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 6 2+840 0.041 0.23 0.03 0.01 0.98 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 7 3+130 0.217 0.43 0.03 0.01 0.47 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 8 3+290 0.082 0.30 0.03 0.01 0.91 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 9 3+460 0.159 0.38 0.03 0.01 0.53 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 10 3+540 0.098 0.32 0.03 0.01 0.59 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 11 3+760 0.012 0.15 0.03 0.01 0.76 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 12 3+900 0.270 0.47 0.03 0.01 0.44 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 13 4+670 0.117 0.34 0.03 0.01 0.87 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 14 4+750 0.029 0.20 0.03 0.01 1.01 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 15 4+810 0.229 0.44 0.03 0.01 0.47 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 16 5+000 0.311 0.51 0.03 0.01 0.40 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 17 5+230 0.164 0.39 0.03 0.01 0.52 36 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 18 5+360 0.135 0.36 0.03 0.01 0.85 48 pulgadas Ala - Ala Alcantarilla 19 5+820 0.470 0.58 0.03 0.01 0.33 36 pulgadas Caja - Ala Alcantarilla 20 5+860 0.252 0.46 0.03 0.01 0.45 36 pulgadas Caja - Ala ** En carreteras de alto volumen de tránsito y por necesidad de limpieza y mantenimiento de las alcantarillas, se adoptará una sección mínima circular de 0.90 m (36”) de diámetro. ** Cauces encajonados, en V, inactivos o con flujo permanente de agua. Se recomienda utilizar, en zonas de selva alta, con un diámetro mínimo de alcantarillas TMC Ф 48” ** Se diseñó con un riesgo admisible de 30% y una vida útil de 25 años Figura 91: secciones típicas de diseño hidráulico 6.4. Baden Cuadro 42: Dimension de badén Obras de Arte Kilometro Caudal (m3/s) Tirante mínimo (m) Pendiente BL mínimo (m) Ht (m) Espejo de agua (m) Badén 2+920 11.860 0.37 0.03 0.13 0.50 10.00 Figura 92: Dimensiones de badén ** Se diseñó con un riesgo admisible de 30% y una vida útil de 25 años ** MTC recomienda adoptar valores entre 0.30 y 0.50m altura de badén. 6.5. Puentes Cuadro 43: Diseño hidraulico de puentes Descripción Distancia (km) Caudal (m3/s) Tirante crítico (m) BL (m) Tirante total (m) Luz del puente (m) Puente 01 0+103.00 28.12 0.86 2.50 3.40 20 Puente 02 0+223.00 61.73 1.47 2.50 4.00 20 Puente 03 5+354.00 1.58 0.51 2.50 3.10 10 Figura 93: Seccion tipico del puente ** Se diseñó con un riego admisible de 25% y una vida útil de 40 años ** Cuando existe evidencia que la corriente transporta material sólido, troncos, palizada u otros objetos voluminosos, el gálibo mínimo asociado al nivel de aguas máximas deberá ser, 2.5 m. 6.6. Socavaciones Cuadro 44: Socavación de puente Descripción Distancia (km) Caudal (m3/s) H. Socavación (m) Puente 01 0+103.00 35.42 2.70 Puente 02 0+223.00 77.54 2.80 Puente 03 5+354.00 1.58 1.25 Figura 94: Socavación tipico de puentes ** simulación para socavación con un tiempo de retorno de 500 años VII. RECOMENDACIONES · En el presente Manual se definirá como puente a la estructura cuya luz sea mayor o igual a 6.0 m, siguiendo lo establecido en las especificaciones AASHTO LRFD. · El levantamiento topográfico no debe ser menor a 150 m aguas arriba y 150 m aguas abajo del eje del puente propuesto. · Para la estimación de la profundidad de socavación, el período de retorno mínimo deberá ser igual al utilizado en el diseño del puente y para un caudal de no más de 500 años de periodo de retorno que es el caudal para verificar la estabilidad de la cimentación del puente. · Cuando existe evidencia que la corriente transporta material sólido, troncos, palizada u otros objetos voluminosos, el gálibo mínimo asociado al nivel de aguas máximas deberá ser, 2.5 m. · En el caso que la corriente sea relativamente limpia, se considerará un gálibo de 2.0 m por encima del nivel de aguas máximas extraordinarias. ANEXOS Diseño hidráulico de las alcantarillas Mapa de delimitación de cuenca Registro de precipitaciones máximas de 24 horas Análisis de precipitación con hydrognomon Sección de puentes (Exportado de Hec Ras) Resultado de la Socavación 10 Alcantarilla 01 Alcantarilla 02 Alcantarilla 03 Alcantarilla 04 Alcantarilla 05 Alcantarilla 06 Alcantarilla 07 Alcantarilla 08 Alcantarilla 09 Alcantarilla 10 Alcantarilla 11 Alcantarilla 12 Alcantarilla 13 Alcantarilla 14 Alcantarilla 15 Alcantarilla 16 Alcantarilla 17 Alcantarilla 18 Alcantarilla 19 Alcantarilla 20 CURVA HIPSOMÉTRICA Área que queda sobre la superficie (km2) 3.8695312499999996 3.6621874999999995 3.3720312499999996 2.9253124999999995 2.3940624999999995 1.83499999999 99995 1.2093749999999996 0.78546874999999972 0.42874999999999996 0.15671875000000002 823 953 1059 1160 1256 1345 1430 1522 1624 1737 Área que queda debajo de la superficie (km2) 0.20736886735311935 0.4975602665051484 0.94433313143549369 1.475647486371896 2.0347777104784983 2.6604784978800731 3.0844360993337374 3.4411980617807392 3.7132622652937615 3.87 823 953 1059 1160 1256 1345 1430 1522 1624 1737 Área que queda la altitud (km) Altitud (msnm) 5.36% 7.50% 11.54% 13.73% 14.45% 16.17% 10.95% 9.22% 7.03% 4.05% 823 953 1059 1160 1256 1345 1430 1522 1624 1737 5.3583686654552799E-2 7.4984857662023022E-2 0.11544518473652333 0.1372 9053099131841 0.14447809408439333 0.16167979002624672 0.10954976781748436 9.2186553603876439E-2 7.0300827781142744E-2 4.0500706642438926E-2 Altitud (msnm) Porcntaje de área (%) CURVA HIPSOMÉTRICA Área que queda sobre la superficie (km2) 8.438593749999999 7.9560937499999991 7.169999999999999 6.394687499999999 5.5467187499999984 4.5681249999999984 3.629062499999999 2.6315624999999994 1.4646874999999993 0.51718749999999947 823 1019 1163 1300 1429 1553 1679 1806 1931 2069 Área que queda debajo de la superficie (km2) 0.48258040624363507 1.2688051548873296 2.0442468568889218 2.8923569166959839 3.8711137445146004 4.8103327346455096 5.8079989630973774 6.9750684170570496 7.9227263132556907 8.4400000000000013 823 1019 1163 1300 1429 1553 1679 1806 1931 2069 Área que queda la altitud (km) Altitud (msnm) 5.72% 9.32% 9.19% 10.05% 11.60% 11.13% 11.82% 13.83% 11.23% 6.13% 823 1019 1163 1300 1429 1553 1679 1806 1931 2069 5.7177773251615535E-2 9.3154591071527779E-2 9.187697891014128E-2 0.10048697391078935 0.11596 644879367492 0.11128187086859112 0.1182068991056715 0.13827837132223603 0.11228174125576315 6.1288351509989458E-2 Altitud(msnm) Porcntaje de área (%) CURVA HIPSOMÉTRICA Área que queda sobre la superficie (km2) 0.21718750000000001 0.19546875 0.17250000000000001 0.14765624999999999 0.12078125000000001 9.1093750000000001E-2 6.640625E-2 4.5156250000000009E-2 2.3593749999999997E-2 1.0781249999999992E-2 1181 1217 1249 1282 1313 1344 1375 1406 1441 1482 Área que queda debajo de la superficie (km2) 2.1999999999999995E-2 4.5266187050359709E-2 7.043165467625899E-2 9.7654676258992795E-2 0.12772661870503596 0.15273381294964028 0.17425899280575538 0.19610071942446042 0.20907913669064745 0.21999999999999997 1181 1217 1249 1282 1313 1344 1375 1406 1441 1482 Área que queda la altitud (km) Altitud (msnm) 10.00% 10.58% 11.44% 12.37% 13.67% 11.37% 9.78% 9.93% 5.90% 4.96% 1181 1217 1249 1282 1313 1344 1375 1406 1441 1482 9.9999999999999992E-2 0.10575539568345323 0.11438848920863309 0.12374100719424459 0.136690 64748201437 0.11366906474820145 9.7841726618705036E-2 9.928057553956833E-2 5.8992805755395679E-2 4.9640287769784165E-2 Altitud (msnm) Porcntaje de área (%) CURVA HIPSOMÉTRICA Área que queda sobre la superficie (km2) 2.2159374999999999 2.0329687499999998 1.73734375 1.4824999999999999 1.2503124999999999 1.0323437499999999 0.79578124999999988 0.56062499999999993 0.35781249999999987 0.1784374999999998 1080 1195 1289 1387 1484 1575 1660 1749 1846 1946 Área que queda debajo de la superficie (km2) 0.18330418840784096 0.47947116062614592 0.73478211817797212 0.96739528980397693 1.1857636440558454 1.4227598364123537 1.6583472006769144 1.8615315188266819 2.0412353687773237 2.2200000000000002 1080 1195 1289 1387 1484 1575 1660 1749 1846 1946 Área que queda la altitud (km) Altitud (msnm) 8.26% 13.34% 11.50% 10.48% 9.84% 10.68% 10.61% 9.15% 8.09% 8.05% 1080 1195 1289 1387 1484 1575 1660 1749 1846 1946 8.2569454237766196E-2 0.13340854604428151 0.11500493583415597 0.1047807079396418 9.8 364123536877734E-2 0.10675504160203075 0.10612043435340573 9.1524467635030332E-2 8.0947680157946705E-2 8.052460865886335E-2 Altitud (msnm) Porcntaje de área (%) Curva Inensidad - Duración - Frecuencia Tr = 25 años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 270.57891550926297 160.8871857466678 118.70062638486972 95.664093001350878 80.921970306187205 70.579814726083384 62.873903150996078 56.882210023744236 52.07293656876999 48.116491424078369 44.797052307375424 41.967008923916097 Tr = 30 años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 278.36626372842812 165.51757070128534 122.11686859188811 98.417336367967209 83.25 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30 35 40 45 50 55 60 346.33258526827342 205.93058727915866 151.93310510340933 122.44705979453217 103.57760185562142 90.339964796715293 80.476637964224764 72.807457359410634 66.651737111258896 61.587610540812022 57.33883184804278 53.716464452674579 Tr = 200 años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 358.47871551120159 213.15271953147862 157.261507226 9607 126.74136532450694 107.2101420666848 93.508251655176736 83.299010931149866 75.360866704531404 68.989260966381181 63.747531873077051 59.349745487786535 55.600339089900572 Tr = 500 años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 397.39899843596646 236.29485821750328 174.33549820497458 140.50176331540706 118.85002159395125 103.66050743144993 92.342842356874016 83.542848302555 186 76.4794729075643 70.668645648876932 65.79338854370252 61.636906491136344 Tiempo de duracion (min) INTENSIDAD (mm/h) I-D-F 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 300-360 360-420 420-480 480-540 540-600 600-660 660-720 720-780 780-840 840-900 900-960 960-1020 1020-1080 1080-1140 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480-540 540-600 600-660 660-720 720-780 780-840 840-900 900-960 960-1020 1020-1080 1080-1140 1140-1200 1200-1260 1260-1320 1320-1380 1380-1440 1.2984987264964758 1.3881038430344859 1.4936055833391464 1.619938219308338 1.7743918564214738 1.9682464396026376 2.2200142166604735 2.5625371247127191 3.0607401295444703 3.8655845933414668 5.4400571368304753 10.488101100793948 55.431853609959624 7.0324673151016412 4.4974755738015091 3.4086145235957019 2.7858928272029999 2.3769664853861201 2.0853022041590208 1.8654620828071415 1.693065352436534 1.5537817978278525 1.4386016135097 179 1.3415579753633722 Tiempo (min) Precipitación (mm) I-D-F 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 300-360 360-420 420-480 480-540 540-600 600-660 660-720 720-780 780-840 840-900 900-960 960-1020 1020-1080 1080-1140 1140-1200 1200-1260 1260-1320 1320-1380 1380-1440 1.4614827386463389 1.5623348445764407 1.6810788750526342 1.8232684382991522 1.9971086739157471 2.2152953546922163 2.4986643351995355 2.8841797827656706 3.4449158674808729 4.3507822092278019 6.1228782443085663 11.804538893423228 62.389508413851715 7.9151633970767961 5.061986418985029 3.836454504946289 3.1355704827385011 2.6753168238414418 2.3470436389741707 2.0996097862782932 1.9055742893660295 1.7488082435592958 1.61917095722230 9 1.5099466667765284 Tiempo (min) Precipitación (mm) 2 2 1 2 1 ) ( ÷ ø ö ç è æ - - = S x e S x f m p , ) ln ( 2 1 exp 2 1 ) ( 2 ú û ù ê ë é - - = a b p a x x x f ú û ù ê ë é + = 2 2 4 ln 2 1 s m m b ú û ù ê ë é + = 2 2 2 ln m s m a x k x x s + = Kolmogorov-Smirnov test for:Alldata a=1%a=5%a=10%Attained aDMax X-Square test for All data a=1%a=5%a=10%Attained aPearson Param.2 años3 años5 años10 años25 años30 años50 años75 años100 años150 años200 años Normal ACCEPTACCEPTACCEPT90.41%0.1249 Normal ACCEPTACCEPTACCEPT15.73%2 48.055.262.169.577.478.882.585.387.189.691.3 Normal (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT87.01%0.13189 Normal (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT15.73%2 48.054.861.368.375.877.180.683.284.987.388.9 LogNormalACCEPTACCEPTACCEPT99.39%0.0888LogNormalACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.545.352.460.370.182.284.691.196.3100.0105.2108.9 Galton ACCEPTACCEPTACCEPT99.03%0.09295 Galton44.451.359.269.583.185.993.699.9104.5110.9115.6 Exponential ACCEPTACCEPTACCEPT90.04%0.12572 Exponential ACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.5 42.849.658.269.985.388.497.0103.8108.7115.5120.3 Exponential (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT88.97%0.12798 Exponential (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT47.95%0.5 42.549.758.971.387.791.0100.2107.4112.6119.9125.0 Gamma ACCEPTACCEPTACCEPT99.04%0.09291 Gamma ACCEPTACCEPTACCEPT47.95%0.5 46.053.561.370.481.183.188.592.795.599.5102.3 Pearson III ACCEPTACCEPTACCEPT98.27%0.09883 Pearson III43.750.959.370.384.487.194.7100.7105.0110.9115.1 Log Pearson III ACCEPTACCEPTACCEPT98.28%0.09878 Log Pearson III44.050.658.569.484.788.097.3105.2111.0119.5125.8 EV1-Max (Gumbel) ACCEPTACCEPTACCEPT99.11%0.09215 EV1-Max (Gumbel) ACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.5 45.252.260.169.982.484.891.697.0100.8106.1109.9 EV2-Max ACCEPTACCEPTACCEPT74.55%0.1528 EV2-Max ACCEPTACCEPTREJECT6.14%3.5 43.849.356.166.181.284.694.7103.5110.2120.5128.3 EV1-Min (Gumbel) ACCEPTACCEPTACCEPT47.28%0.19427 EV1-Min (Gumbel) ACCEPTREJECTREJECT3.39%4.5 50.756.861.866.570.971.673.574.875.676.777.4 EV3-Min (Weibull) ACCEPTACCEPTACCEPT92.71%0.11941 EV3-Min (Weibull) ACCEPTACCEPTACCEPT47.95%0.5 47.755.262.470.077.979.382.985.687.489.891.4 GEV-Max ACCEPTACCEPTACCEPT98.18%0.09943 GEV-Max44.751.459.169.282.885.593.499.8104.4111.1115.9 GEV-Min ACCEPTACCEPTACCEPT97.42%0.10354 GEV-Min43.550.859.470.684.787.495.0100.8105.0110.7114.8 Pareto ACCEPTACCEPTACCEPT95.00%0.11291 Pareto43.050.459.471.085.488.195.6101.3105.3110.7114.4 GEV-Max (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT97.13%0.10493 GEV-Max (L-Moments)43.750.258.169.185.288.698.8107.5113.9123.6130.8 GEV-Min (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT97.19%0.10465 GEV-Min (L-Moments)43.350.859.771.185.588.396.1102.1106.3112.2116.4 EV1-Max (Gumbel, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT98.55%0.09697 EV1-Max (Gumbel, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.5 45.252.259.969.681.984.391.096.2100.0105.2109.0 EV2-Max (L-Momments) ACCEPTACCEPTACCEPT87.64%0.13067 EV2-Max (L-Momments) ACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.5 43.049.156.968.586.690.6103.0113.9122.4135.3145.3 EV1-Min (Gumbel, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT47.51%0.1939 EV1-Min (Gumbel, L-Moments) ACCEPTREJECTREJECT3.39%4.5 50.756.661.666.270.571.373.174.375.276.377.0 EV3-Min (Weibull, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT90.80%0.12402 EV3-Min (Weibull, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT15.73%2 47.955.061.668.575.777.080.382.784.386.487.9 Pareto (L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT96.90%0.10592 Pareto (L-Moments)43.250.960.271.885.688.295.1100.2103.7108.4111.6 GEV-Max (kappa specified) ACCEPTACCEPTACCEPT92.48%0.12 GEV-Max (kappa specified) ACCEPTACCEPTREJECT6.14%3.5 44.150.257.567.882.485.694.7102.5108.3116.9123.3 GEV-Min (kappa specified) ACCEPTACCEPTACCEPT71.35%0.15766 GEV-Min (kappa specified) ACCEPTACCEPTREJECT6.14%3.5 49.356.362.468.574.575.578.180.081.382.984.0 GEV-Max (kappa specified, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT97.86%0.10128 GEV-Max (kappa specified, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT22.07%1.5 43.850.458.269.285.088.398.2106.5112.8122.0128.9 GEV-Min (kappa specified, L-Moments) ACCEPTACCEPTACCEPT72.17%0.15643 GEV-Min (kappa specified, L-Moments) ACCEPTACCEPTREJECT6.14%3.5 49.355.961.767.473.174.176.678.379.581.182.1
