ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PUENTE VEHICULAR SOBRE LA QUEBRADA PACHICUTZA PASO A LOS GERNEOS, CANTN NANGARITZA, PROVINCIA DE ZAMORA CHINCHIPE

GOBIERNO AUTNOMO DESCENTRALIZADO DEL CANTN MUISNEEstudio HidrolgicoPROYECTO:CONSTRUCCIN DE MURO DE ESCOLLERA EN EL RECINTO SAN FRANCISCO DEL CABO, PROVINCIA DE ESMERALDAS

CONSULTORES:

Muisne EcuadorJUNIO 2015

1.GENERALIDADES.22.OBJETIVOS.23.UBICACIN DEL PROYECTO24.METODOLOGA EMPLEADA35.DESARROLLO DE OBJETIVOS45.1.Determinacin del perodo de recurrencia.45.2.Determinacin de parmetros fsicos de la cuenca.45.2.1.Tiempo de concentracin.55.2.2.Caractersticas fsicas de la cuenca.55.3.Determinacin del caudal de diseo65.3.1.Determinacin de caudales mximos de crecida65.3.2.Calculo del caudal de estiaje75.4.Clculo del nmero de Froude (Fr)85.5.Clculo de la erosin general del lecho96.Conclusiones127.Recomendaciones12

ESTUDIO HIDROLGICO DEL muro de escollera en el recinto san francisco del cabo, CANTN muisne, PROVINCIA DE esmeraldasGENERALIDADES.El Gobierno Autnomo Descentralizado del Cantn Muisne, debido a que desde hace algunos meses, los efectos de las subidas de agua, marejadas, han expuesto las reas urbanas a altsimos riesgos de inundaciones; ha llevado al Municipio de Muisne, a plantear un Plan de Contingencia que permita prevenir y enfrentar las consecuencias provenientes de esta situacin; por tal motivo se ha realizado los estudios y diseos definitivos del presente estudio.

OBJETIVOS. Determinar del perodo de recurrencia. Determinar de los parmetros morfolomtricos de la Cuenca: rea, longitud, pendiente del cauce principal, tiempo de concentracin, etc. Determinar de la tormenta de diseo. Determinar del caudal de diseo. Determinar del nmero de FROUDE. Calcular la erosin general del lecho. Determinar la socavacin y la profundidad de las fundaciones. Definir las obras de proteccin Elaborar el informe, que incluyan las recomendaciones tcnicas. Determinar los niveles de estiaje y creciente extraordinarios del cauce.UBICACIN DEL PROYECTOLa zona del presente estudio se ubica en el sector San Francisco del Cabo cantn Muisne, provincia de Esmeraldas, desde el punto de vista geogrfico el sector se encuentra cercano al Ro Chispa con coordenadas UTM:

Tabla 3.1. Localizacin geogrfica del sitio de emplazamiento. EsteNorteElevacinDatum

603800724003 msnmWGS84 -17N

Fuente: IGMElaboracin: El Consultor

METODOLOGA EMPLEADAEl estudio sigue las recomendaciones para los estudios de diseo de muros de escollera y se sustenta en los conceptos bsicos y tradicionales de la Hidrulica e Hidrologa Superficial.Se analiz los requerimientos de informacin necesaria para el desarrollo de los diferentes tpicos del estudio, tales como:Cartografa digitalizada del IGM para el mapeo y definicin de la zona de estudio, as como tambin, para la determinacin de los parmetros morfomtricos de la cuenca hidrogrfica. Topografa auxiliar del sitio de emplazamiento, y batimetra de la seccin transversal de cruce, siguiendo el eje de la va.

Imagen 4.1. Delimitacin de cuenca hidrogrfica.

Se ejecut el trabajo de gabinete el cual incluy las siguientes actividades: Fundamentndose en la informacin cartogrfica, se calcularon los parmetros morfomtricos de la cuenca hidrogrfica. Se determin el los caudales de mxima crecida para el periodo de retorno considerado y el nivel de estiaje del Ro Chispa. Se estableci la seccin transversal y longitudinal del ro del sitio de emplazamiento. Se realiz, una apreciacin de las condiciones climticas de la zona, utilizando la informacin que proporcionan las estaciones meteorolgicas representativas de la zona. La precipitacin, factor determinante del rgimen hidrolgico de la zona se consider las precipitaciones medias de la estacin meteorolgica Muisne M153 circundante a la zona de estudio El estudio de caudales de diseo se realiza en funcin de las caractersticas del suelo y vegetacin del lugar y las observaciones de campo. Finalmente, se determin la socavacin del lecho del ro.DESARROLLO DE OBJETIVOSDeterminacin del perodo de recurrencia. Es el tiempo medio entre dos avenidas con caudales iguales o superiores a uno determinado, el perodo de retorno o recurrencia de diseo escogido, depende de factores socioeconmicos, de impacto o vulnerabilidad y de diseo que influyen en la vida e importancia de la obra, se ha considerado el uso de un Tr= 100 aos, siendo el mismo para puentes, ya que la obra estar ubicada muy cerca al ro la misma que deber estar preparada para las crecidas e inclusive la socavacin que se puede generar en la cimentacin.Determinacin de parmetros fsicos de la cuenca.Las caractersticas fsicas de la microcuenca hidrogrfica del Ro San Francisco hasta el sitio de emplazamiento del puente, fueron determinadas aplicando el sistema de informacin geogrfica ArcGis 10.1 a partir de informacin geogrfica (DEM) Escala 1:50.000 del IGM.

Tiempo de concentracin.El tiempo de concentracin, o tiempo de flujo desde el punto ms alejado hasta la salida de la cuenca, se ha determinado a partir de los datos fsico-morfomtricos de la cuenca, mediante la frmula de Kirpich. Su expresin de clculo es la que se indica a continuacin:

En donde:Tc: Tiempo de Concentracin en horasL: Longitud del ro en kmS: Pendiente del cauce principal en m/m Caractersticas fsicas de la cuenca.En el cuadro que a continuacin se expone se resumen los principales parmetros fsicos necesarios para los clculos hidrolgicos:

Tabla 5.3. Resumen de las caractersticas morfolomtricas de la cuenca.ParmetroRio San Francisco

rea (km2)103.22

Permetro (km)48.81

Kc1.36

FormaDe oval redonda a oval oblonga

Tendencia a las crecidasMedia

Elevacin media de la cuenca (msnm)153.08

Pendiente media de la cuenca (%)1.62

Longitud del cauce principal (km)15.39

Pendiente cauce Principal (m/m)0.0051

Tiempo de concentracin (min)72.98

Elaboracin: El AutorEn el Anexo 1, se detalla el clculo de parmetros morfolomtricos de la cuenca.

Determinacin del caudal de diseo La avenida o crecida es el rpido aumento del nivel de agua que desciende por un curso fluvial. Aunque el trmino "crecida" significa el momento de mximo caudal, normalmente se considera como crecida cuando produce efectos catastrficos. Se producen por la variacin en la pluviosidad, la mayor parte de las crecidas que han tenido efectos negativos se han visto asociadas al fenmeno de gota fra.Determinacin de caudales mximos de crecidaPara el clculo de crecidas se emple Mtodos los empricos, el del INHERI y el de HOFFMAN no se ha realizado por mtodos estadsticos debido a que no existen datos histricos de caudales en el sector. Frmulas empricasMtodo del INERHI.

Dnde:Q: Caudal de crecida, en m3/seg.A: rea de drenaje, en km2.K: Es un coeficiente que se obtiene de acuerdo a la siguiente tabla.Tabla 5.10. Valores estimados del coeficiente para cuencas Ecuatorianas.Tr1000500100502551

K10.8560.6460.5740.5070.3610.139

Fuente: INERHIElaboracin: El AutorMtodo de Hoffman.

Dnde:Q: Caudal de crecida, en m3/seg.A: rea de la cuenca, en km2.Mtodo de Dickers.

Dnde:Q: Caudal de crecida, en m3/seg.A: rea de la cuenca, en km2.El resumen de caudales se detalla en la siguiente tabla:Tabla 5.11. Resumen de caudales mximos para diferentes periodos de retorno. MtodoTr (aos)Q max (m3/s)

HoffmanSA80.46

DickersSA223.72

Inerhi1081.94

25103.34

50116.99

Elaboracin: El AutorNota: Se estima que el caudal de mxima crecida es igual a 98.73 m3/seg, que es el promedio del mtodo de Hoffman y el mtodo del INHERI para un periodo de retorno igual a 50 aos, el mtodo del INHERI es un estudio que se realiz con cuencas ecuatorianas y con datos de precipitacin reales en el pas. Calculo del caudal de estiajePara el clculo del caudal de estiaje se ha tomado los valores de precipitacin media de la estacin meteorolgica de Muisne con cdigo M153, y se ha realizado la conversin a caudales mediante el Mtodo Racional y el mtodo del INEHRI; se ha obtenido el siguiente caudal mnimo de estiaje para la cuenca en estudio:

Q mnimo de estiaje= 237.10 l/s = 0.237 m3/s

Clculo del nmero de Froude (Fr)Con el propsito de establecer el grado de erodabilidad del cauce, y en funcin de ste, el tipo de estructura ms recomendable para las circunstancias particulares de los sitios de emplazamiento, se recurre al clculo del nmero de Froude segn la frmula:

En donde:V: Velocidad correspondiente al caudal mximo instantneo en m/sg: Aceleracin de la gravedad en m/s2h: Tirante A/B en mA: rea de la seccin hidrulica en m2B: Ancho del espejo de agua en mV = 1.45 m/sA = 68.05 m2B = 84.53mNo. Froude= 0.94 por lo tanto es un flujo subcrticoLa hidrulica establece que los nmeros de Froude mayores a 1.0, determinan la condicin de flujo supercrtico, en este caso el flujo es subcrtico.

Clculo de la erosin general del lechoEn general se puede definir a la socavacin como el efecto erosivo que produce la corriente de agua sobre el cauce y orillas de un ro, por efecto de la velocidad de una crecida, al arrastrar el material del lecho. Este anlisis se lo efecta con la finalidad de conocer el riesgo de la estabilidad de la estructura en sus elementos de cimentacin.En el caso del muro de escollera y de acuerdo a los datos de campo y a la informacin obtenida en los estudios geolgico y geotcnico referencial, se establece que el cauce se encuentra sobre un estrato de material aluvial arenoso fino.Con este antecedente el estudio contempla el anlisis de la socavacin general del cauce.La socavacin general del cauce se refiere al descenso del fondo del ro cuando se produce la crecida, debido al aumento de la capacidad de arrastre del mismo. El mtodo utilizado para el clculo fue el de Lischtvan-Lebediev, para suelos: " no cohesivos", cursos de agua con "cauce definido" y lecho compuesto de "material aluvial homogneo".Para estas condiciones se formula la siguiente ecuacin:

Donde:Hs: Tirante en el punto que se calcula la socavacin en m : Constante definida por la expresin:

Ecuacin en la que:Qd: Caudal de diseo en m3/sHm: Tirante medio de la seccin (Ae/Be) en mAe: rea hidrulica efectiva en m2Be: Ancho efectivo en m: Coeficiente de contraccin, determinado en tablasHo : Profundidad de cada punto de la seccin transversal, respecto a la cota mxima: Coeficiente que depende de la probabilidad de ocurrencia del caudal de diseo, valor que se determina a partir de tablas.dm: Dimetro medio de las partculas del cauce del ro en m.1/1+x : Exponente variable que es funcin de d, obtenido de tablasTabla 5.13. Valores de en funcin de la probabilidad de que pueda presentarse el caudal de diseo.Probabilidad en % de que se presente el caudal de diseoT perodo de retornoCoeficiente

10010.77

5020.82

2050.86

10100.90

5200.94

2500.97

11001.00

0.33301.03

0.25001.05

0.110001.07

Tabla 5.14. Valores de x para suelos no cohesivos.Dm (mm)X1/(1+X)Dm (mm)X1/(1+X)

0.050.430.7040.000.300.77

0.151.420.7060.000.390.78

0.500.410.7190.000.280.78

1.000.400.71140.000.270.79

1.500.390.72190.000.260.79

2.500.380.72250.000.250.80

4.000.370.73310.000.240.81

6.000.360.74370.000.230.81

8.000.350.74450.000.220.83

10.000.340.75570.000.210.83

15.000.330.75750.000.200.83

20.000.320.761000.000.190.84

25.000.310.76

Tabla 5.15. Valores del coeficiente en funcin del peso unitario de la mezcla agua-sedimento.

MEZCLA1.051.101.151.201.251.301.351.40

1.061.131.201.271.341.421.501.60

En el Anexo 3 presenta el clculo de la socavacin general y el perfil de socavacin El nivel de socavacin mxima alcanza los siguientes valores:Tabla 5.16. Nivel de mxima socavacin. Sitio de implantacin Nivel de socavacin mximoCota (msnm)

R. San Francisco, Sector San Francisco del Cabo- 0.43- 0.45

Elaboracin: El Autor

ConclusionesEl caudal mximo de crecida calculado alcanza un valor de 89.73 m3/s segn los mtodos de aplicacin. El nmero de Froude evidencio la presencia de flujo cercano al crtico en todas las secciones analizadas, lo que implica la presencia de fuerzas erosivas en el cauce.La socavacin alcanzo niveles mximos de 0.43m para un periodo de diseo de retorno igual 50 aos, esto es debido a la presencia de material arenoso en el lugar.El caudal de estiaje igual 0.237 m3/s.RecomendacionesCon la finalidad de reducir los costos que una cimentacin profunda podra ocasionar, se recomienda realizar las cimentaciones de los muros a una distancia de 5 a 7 metros de la orilla con una profundidad mnima iguala a la mxima socavacin ya que su estabilidad estar garantizada por la distancia existente a la corriente.Para fines de diseo se recomienda considerar las caractersticas que se detallan a continuacin:

VariableValor (msnm)

Profundidad de socavacin0.43

Cota de mxima crecida2.90

Cota de socavacin-0.45

Cota mnima de cimentacin-0.43

Atentamente.

Ing. Danny CorreaESTUDIO HIDROLGICO

Anexo 1, Clculo de parmetros morfolomtricos de la cuenca.NroCota (msnm)rea (Km2)

mnimomximopromedioIntervaloAcumulado% Acum.% Inter

1129155.7048103.1873100.005.53

2246544.56.674897.482594.476.47

3428965.56.161190.807788.005.97

47011592.59.08284.646682.038.80

59813811812.994175.564673.2312.59

612116714417.501862.570560.6416.96

714919317121.558945.068743.6820.89

817321319313.747723.509822.7813.32

9204243223.56.05289.76219.465.87

102262662462.4013.70933.592.33

112572912741.04251.30831.271.01

12283312297.50.26580.26580.260.26

Altitud media=156.54msnm

Altitud ms frecuente=171.00msnm

Altitud de fecuencia 1/2 =153.08msnm

-Coeficiente de compacidad

Kc=1.36Tendencia de crecidas media (1.25 - 1.5)

-PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA

Smc=1.62%

-Rectangulo equivalente

Lmayor=19.218 km

Lmenor=5.369 km

A_rec_equiv=103.18 km2

-PENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL

Sm=0.005133m/mHcaucemin=4msnm

Hcaucemx=83msnm

Lcaucepricipal=15.39Km

-Tiempo de concentracin (Kirpich)

Tc=1.22hr

72.98min

Anexo 3, Clculo de la Socavacin GeneralNCaudalDimensinCaudalAlturaVelocidadreaPermetroRadioPendientehvheHe

m /sB(impuesto)UnitariocrticaCrticacrticamojado PHidrulicocrticaVc2/2gke.Vc2/2gm

QmqhcVc(m/s)mmR (m)ic(m/m)

1 98.7384.531.1680.5182.254 43.79485.566 0.512 0.01521 0.25904 0.06476 0.80

2 98.7384.331.1710.5192.256 43.75985.368 0.513 0.01520 0.25945 0.06486 0.80

3 98.7371.541.3800.5792.383 41.42572.698 0.570 0.01473 0.28952 0.07238 0.90

DIAMETRO MEDIO DE LAS PARTICULAS (m) :0.10

COEFICIENTE :1.00

COEFICIENTE :1.00

COEFICIENTE :1.00

COEFICIENTE 1/(1+x):0.71

ABSCISAS POR ELCAUDAL DEANCHO MEDIOCAUDALTIRANTETIRANTESOCAVACION GENERAL Hs

NoEJE DEL RIODISEOLIBRE DEL RIOUNITARIOMEDIOMAXIMOECUACIONHs-Ho

INICIALFINALQ,(m3/S)Be (m)q (m3/s/m)Hm (m)Ho (m)TIPICAm

1 0+0000+10098.7384.531.170.750.801.881.190.39

20+1000+20098.7384.331.170.750.801.881.190.39

30+2000+27098.7371.541.380.830.901.871.330.43

Anexo 4, Imagen satelital sobre el sector "San Francisco del Cabo"

Anexo 5. Carta topogrfica del sector (SIG), escala 1:200000