puente Gorgor

Estudio Hidrolgico Preliminar Puente Gorgor

Ing. Godofredo AcostaCIP 127237INFORME TCNICOCdigo del Proyecto:

Revisin: B

Pginas:

Especialidad: Hidrologa - Hidrulica

Proyecto:ESTUDIO DE PREINVERSION A NIVEL DE PERFIL PUENTE SURO Y ACCESOS

Ttulo: Estudio Hidrolgico - Hidrulico

CONTROL DE REVISIONES

Rev.FechaElaboradoRevisado VerificadoDescripcin del Cambio

InicialesFirmaInicialesFirmaInicialesFirma

A06.07.13G.A.Q.

NDICE31.INTRODUCCIN

42.OBJETIVOS

43.RECOPILACIN DE LA INFORMACIN

54.HIDROLOGA

54.1Anlisis de la Precipitacin

64.2Caracterizacin del ro en la zona del proyecto

64.3Delimitacin de Subcuenca

104.4Rgimen de Caudales

104.5Anlisis de Frecuencias para Mximas Avenidas

124.6Estimacin de los Caudales de Diseo y Periodo de Retorno

135.CARACTERIZACIN HIDRULICA Y MODELACIN NUMRICA

135.1Breve Caracterizacin del Cauce

145.2Modelacin Numrica de Aproximacin

225.3Definicin de la Luz de Puente y Niveles de la superestructura

226.SOCAVACIN MXIMA

236.1Profundidad mnima recomendable de la cimentacin

257.OBRAS DE ENCAUZAMIENTO

268.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

ESTUDIO HIDROLGICO, RIO GORGOR - PUENTE SURO1. INTRODUCCIN

En los ltimos aos debido a los cambios climticos, diversas instituciones internacionales prevn que el planeta estar sometido a diversas variaciones de consideracin entre ellos el recurso hdrico, cambios de temperatura, y otros. Como se sabe en la ingeniera de ayer y en la actual se estudia la hidrologa de ros con fines de entender y aproximar los efectos inducidos por la hidrodinmica del flujo de agua en sus tres grados de libertad, ya sean regmenes perennes o de corta duracin y sus fenmenos derivados, como son: socavacin; y deposicin o agradacin en el lecho; erosin de orillas; desarrollo y migracin de meandros, estos son, quiz, los ms importantes efectos de la hidrulica fluvial, cuyo control y manejo son indispensables para establecer condiciones favorables para la seguridad de la estructuras y obras proyectadas.

En este sentido, en el presente informe tcnico se elabora el Estudio Hidrolgico e Hidrulico como aporte para el Estudio de Pre-Inversin a nivel de perfil Construccin del Puente Suro y Accesos, el cual se ubicar en el Distrito de Gorgor, Provincia de Cajatambo, Regin Lima, en coordenadas geogrficas Latitud Sur 1037'35"S, Longitud Oeste 7701'42"O del elipsoide WGS84. Este estudio hidrolgico tiene como objetivos principales de determinar la elevacin mxima del nivel de agua en el ro Gorgor y la socavacin mxima que pude producirse debido a dicho evento extremo.

Vista area de la zona de estudio

2. OBJETIVOS

La evaluacin tiene como finalidad lo siguiente;

Plantear y esquematizar los clculos hidrolgicos para la subcuenca que influye en el aporte de la activacin de mximas avenidas que alcanza el ro Gorgor a la altura del proyectado puente Suro.

Pronstico del flujo de descarga, as como el tiempo de concentracin y de retardo de la subcuenca considerada, con nfasis para una probabilidad de retorno de 100 y 500 aos.

Plantear y estimar los clculos de los parmetros hidrulicos que desarrolla la mxima avenida.

Aplicacin de un modelo numrico, el cual tiene por finalidad simular diferentes escenarios para los caudales de descarga estimados.

Determinar los niveles mximos en el cauce del ro Gorgor con fines de diseo del puente Suro para las avenidas mximas de 100 y 500 aos de periodo de retorno. Determinar la socavacin mxima que se produce en el cauce del ro Gorgor como consecuencia de las avenidas mximas de 100 y 500 aos de periodo de retorno.

3. RECOPILACIN DE LA INFORMACIN

Para el desarrollo de la presente evaluacin y la modelacin hidrulica de aproximacin en el tramo de estudio considerado del Ro Gorgor, se ha revisado los perfiles estratigrficos, clasificacin SUCS y granulometra (Anexo D Perfil Estratigrafico Puente de Suro Cajatambo) para tener un panorama de la macrorugosidades y las rugosidades de los horizontes de suelos presentes, con nfasis en la seccin hidrulica efectiva. Asimismo, se recopil informacin adicional, para realizar los clculos hidrolgicos e hidrulicos, como se detallan a continuacin:

Planos de la topografa al detalle, elaborados para el presente estudio.

Estudio de Perfil Estratigrfico y Granulometra. Informacin del Instituto Geogrfico Nacional, Cuadrngulo 22-j.

Informacin del INGEMMET, Cuadrngulo 22-j.

Registros Meteorolgicos del Senamhi, precipitacin total mensual disponible (1980 2012), precipitacin mxima de 24 horas disponible (1996 2012)4. HIDROLOGA

4.1 Anlisis de la Precipitacin

Para la estimacin de la precipitacin, se ha revisado la informacin de la oficina general de estadstica e informtica del SENAMHI, ubicndose la estacin Gorgor como representativa tanto de la precipitacin media mensual como de las precipitaciones mximas en la zona de influencia del proyecto puente Gorgor.Las precipitaciones mximas de 24 horas registradas en la estacin Gorgor son las que se utilizaran para calcular los caudales mximos en la seccin transversal del puente Suro a fin de obtener las elevaciones mximas de agua y la socavacin mxima en dicha seccin.

A continuacin se muestran los datos de la estacin Gorgor.Estacin representativa de la zona del proyectoEstacinAltitud (msnm)Latitud/SurLongitud/OesteTipoPerodo deRegistro

Gorgor/151208/DRE-04300010377702Precipitacin media mensualPrecipitacin mxima 24h1980 -2012 1996 - 2012

En el caso de las precipitaciones medias mensuales sirven para clasificar su clima. En el siguiente cuadro se muestran las precipitaciones medias a nivel mensual. En el Anexo A-1 se presenta la serie completa de precipitaciones totales mensuales del periodo 1980 2012 (33 aos).Se us el modelo HEC-4 desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos, permite completar e interpolar la informacin de los aos no registrados.

PARAM.ENEFEBMARABRMAYJUNJULAGOSETOCTNOVDICTOTAL

PROM.105.0129.1140.546.86.32.00.00.43.126.239.869.3562.2

MIN.0.021.50.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0234.5

MAX.251.8307.6291.3111.228.354.80.09.526.899.4158.1181.61018.6

En el caso de las precipitaciones mximas de 24 horas se cuenta en el SENAMHI con 17 aos de informacin. En el Anexo A-2 se presenta la informacin de precipitaciones mximas histricas a nivel mensual. De dicha informacin se tomaron los mximos de cada ao para estimar la precipitacin mxima de 24 horas para diferentes periodos de retorno.En el siguiente cuadro se presenta la informacin de precipitaciones mximas utilizadas en el presente estudio.Informacin Meteorolgica: Precipitacin Mxima de 24 horas estacin GorgorEstacin GorgorMxima (mm/24hr)

199619.80

199724.50

199848.90

199919.80

200023.80

200133.30

200222.30

200319.90

200416.90

20059.90

20069.10

200715.70

200812.50

200921.10

201022.50

201121.20

201223.00

4.2 Caracterizacin del ro en la zona del proyecto

Se pueden mencionar algunas caractersticas del ro Gorgor en la zona del proyecto de acuerdo a su morfologa. Se trata de un ro joven, de cauce de montaa, de alta a mediana pendiente, y de secciones transversales en forma de V. Presenta rgimen de flujo de Montaa turbulento y sub crtico en la mayora del ao, es de carcter permanente por los deshielos en la cabecera y las descargas de sus lagunas. En cuanto a grados de libertad (forma de respuesta del cauce ante una variacin en el caudal), presenta 3 GL, pues ante caudales altos se modifican la pendiente, y las mrgenes, ajustndose los anchos del ro en algunas secciones, esto debido principalmente que el tipo de fondo de cauce tiene la presencia de material aluvial. El cauce principal est constituido principalmente de material No-Cohesivo o granular, bien graduados o de granulometra uniforme.4.3 Delimitacin de Subcuenca

Para un correcto anlisis del estudio de mximas descargas, se delimit aproximadamente la subcuenca de cabecera, la cual tiene incidencia directa debido a la fisiografa, y a las caractersticas hidrogrficas; con el apoyo de las imgenes de satlite y con los clculos de los parmetros geomorfolgicos, se obtienen tiempos de concentracin lentos con relacin a los tiempos de retardo, con un ndice de compacidad para la subcuenca de 1.09. Ver Anexo B, Plano HI-01.dwg.Realizando los clculos esto permitir delimitar y determinar la incidencia de la mxima avenida sobre el rea directa de influencia del proyectado puente Suro, identificando sus tres grados de libertad, el canal de desage natural, as como la descarga de la lmina de agua de la avenida, ver Ilustracin 1.

A continuacin, la siguiente tabla indica los parmetros geomorfolgicos ms relevantes de la fisiografa drenante.

Clculo de los Parmetros GeomorfolgicosCuencahidrogrficareaPermetroParmetros de forma de la cuenca

(Km2)(Km)KcL (Km)FfCTc (hr)Tlag (hr)

Sub-cuenca246.2082.801.0921.400.620.355.773.46

Ilustracin 1 Vista en planta de la subcuenca de drenaje y rea de influencia

A continuacin se muestran algunas fotografas de la cuenca del ro Gorgor a la altura del proyectado Puente Suro.

Vista aguas arriba de la zona de ubicacin de proyectado puente Suro. Cuenca Gorgor

Zona de ubicacin de proyectado puente Suro en el ro Gorgor4.4 Rgimen de Caudales

El caudal en el ro Gorgor es de carcter permanente, transporta agua durante todo el ao y es alimentado durante las temporadas de estiaje por caudales provenientes de deshielos, de descargas de lagunas ubicadas en la cabecera de cuenca y en menor medida de agua subterrnea. Las descargas son de caracterstica estacional, presentndose los caudales mayores durante la poca hmeda entre los meses de diciembre a abril, mientras que las descargas de estiaje se presentan en los meses de mayo a noviembre, presentndose las descargas mnimas en los meses de agosto y setiembre. No se cuenta con estaciones hidromtricas en la zona del proyecto.4.5 Anlisis de Frecuencias para Mximas Avenidas

Para el desarrollo y clculo del anlisis de frecuencias para mximas avenidas, se emple el modelo Distrib. 2.13 Statistical Distribution Anlisis, de Water Quantity and Quality Control.

Las distribuciones de frecuencia ms usadas en el tratamiento de la precipitacin para eventos extraordinarios son:

Distribucin LogNormal (LN)

Tr (aos)P (mm)

219.8

527.9

1033.3

2540.2

5045.4

10050.7

20056.1

50063.4

Distribucin Pearson III (LP3).

Tr (aos)P (mm)

219.9

527.9

1033.2

2540.0

5045.1

10050.2

20055.4

50062.4

Distribucin Gumbel (EV1)

Tr (aos)P (mm)

219.9

528.0

1033.4

2540.1

5045.2

10050.1

20055.1

50061.7

Con los resultados y los clculos de las pruebas de bondad de ajuste de bondad de Kolmogorov-Smirnov (Ver Anexo A-3), se obtiene que la mejor distribucin para la precipitacin mxima de 24 horas es la de Gumbel. Para propsitos del presente estudio y de acuerdo al Manual de Hidrologa Hidrulica y Drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, las precipitaciones mximas a considerar son: la de 100 aos de periodo de retorno para determinar los niveles mximos que alcanza la superficie de agua y de no ms de 500 aos de periodo de retorno para determinar la socavacin en puentes. Ambos periodos de retorno son entonces, Tr = 100 y 500 aos, ver el siguiente cuadro.

TrEstimacin de la Precipitacin (mm)

(aos)LogNormalPerson IIIGumbel

10050.750.250.1

50063.462.461.7

Como se ha mencionado, dado que la distribucin de mejor ajuste es la de Gumbel, se tomar tales valores para la determinacin de los resultados.4.6 Estimacin de los Caudales de Diseo y Periodo de RetornoPara cuencas de reas menores a 770 Km2, se tomar como criterio el mtodo racional (CIA) modificado, el mismo que esta descrito en el Manual de Hidrologa Hidrulica y Drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones. Para definir los caudales de descarga en base a los anlisis de la mxima intensidad de precipitacin. Esta intensidad mxima ha sido determinada para una tormenta de duracin igual al tiempo de concentracin, en este caso, 5.7 horas. Cabe sealar que dicho mtodo ajusta por un factor K al caudal Q calculado con el mtodo racional tradicional. Dicho factor de ajuste esta en funcin del tiempo de concentracin de la cuenca drenante. El coeficiente de escorrenta C ha sido tomado del Manual mencionado para una cuenca de pendiente media de terreno (>5%) y con vegetacin densa y de suelo permeable.

Donde:

Q:Descarga (m3/s).

I:Intensidad de precipitacin (mm/hr).

A:rea de la sub-cuenca (km2).

C:Coeficiente de escorrenta, C=0.35

Aplicando la ecuacin del mtodo racional se tienen los siguientes caudales de diseo en el ro Gorgor, a la altura del proyectado puente Suro.Tr

(aos)Estimacin del Caudal de Descarga (m3/s)

Subcuenca

100205

500252

5. CARACTERIZACIN HIDRULICA Y MODELACIN NUMRICA

5.1 Breve Caracterizacin del Cauce

Todas las reas de cuencas de drenaje, cauces principales y secundarios, bancos de sedimentos, riberas, y otros, algunas veces presentan cierta cobertura vegetal o resistencia natural, que varan desde poco densas, densas y muy densas; cualesquiera sea el caso, este efecto produce una rugosidad, produciendo una merma en el desplazamiento del flujo (principio del no deslizamiento), lo cual vara en funcin del tipo material y/o cobertura vegetal.

De las imgenes de satlite y con la descripcin y fotografas de la zona proporcionada por los estudios de geotecnia, as como los resultados de los ensayos de campo, se indica que se tiene una zona hmeda, con bloques, gravas bien gradadas y en algunos casos presencia de arcilla, entre otros. Por esta razn se le ha asignado una rugosidad del lecho y de las banquetas variable entre 0.045 a 0.050 como coeficiente de Manning. Estos valores han sido comprobados mediante la ecuacin de Strickler sugerida en el Manual de Hidrologa Hidrulica y Drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, la cual es utilizada en lechos que estn constituidos de material pedregoso y representado por un dimetro medio, dicha ecuacin es la siguiente.

Donde el dimetro medio D ha sido obtenido de los ensayos de campo de granulometra, medido en milmetros. Estos valores del coeficiente de Manning han sido estimados en 0.046 y 048, para el cauce central y ambas mrgenes respectivamente.En base a la geomorfologa del lecho, se observa un tramo casi curvo con un ndice de sinuosidad de 1.15, el cual indica una tendencia y concentracin del flujo del torrente hacia la margen izquierda, ocasionando un fenmeno de agradacin con tendencia hacia la banqueta opuesta, debido a la fuerte pendiente que vara entre 4% a 6% y con un ancho de cauce medio de 25 m, cualquier flujo extraordinario estara sujeto a una disminucin de su profundidad hidrulica conllevando al descenso del nivel de agua y limitando el permetro mojado.5.2 Modelacin Numrica de Aproximacin

De los resultados de los caudales de descarga estimados, para eventos extraordinarios con tiempo de retorno de 100 y 500 aos, el flujo del torrente para el tramo considerado, es de 205 m3/s y 252 m3/s respectivamente.

Para los clculos de los parmetros hidrulicos, se han tomado como aporte numrico el modelo HEC RAS en su versin 4.1, el cual incluye mejoras sustanciales para el transporte sedimentos en lecho mvil e interacciona el sistema de informacin geogrfica mediante la extensin HecGeo-Ras. Las dos fueron desarrolladas por el Cuerpo de Ingenieros de los EEUU.

Este anlisis fue realizado de manera sustancial con el fin de simular y estimar los niveles del espejo de agua y las probables niveles mximos de agua en la seccin del proyectado puente Suro, as como cuantificar las fuerzas tractivas que se desarrollan en el lecho considerado a fin de estimar la profundidad de socavacin mxima, para ello se ingresaron los datos conocidos como; topografa, rugosidad, descargas, entre otros.Del informe topogrfico se obtuvieron 40 secciones transversales que cubren una extensin de 380 metros, de los cuales 140 metros estn aguas abajo del puente Suro y 240 metros corresponden a aguas arriba. Las secciones estn separadas 10 metros. A continuacin se muestra el esquema hidrulico del ro Gorgor introducido al HEC-RAS, as como el perfil del tramo estudiado.

Esquema hidrulico del ro Gorgor en el HEC-RAS

Perfil longitudinal del ro Gorgor tramo puente SuroEn el esquema de salida del modelo, se indican a continuacin la variacin del nivel de agua alcanzado para los diferentes periodos de retorno considerados: 100 y 500 aos.

Tabla de Resultados Hidrulicos para Tr = 100 aos

Tabla de Resultados Hidrulicos para Tr = 500 aos

Para estos eventos extraordinarios no se aprecia sectores o llanuras de inundacin, pero se comprueba un discurrir muy rpido, pero como se sabe el HEC-RAS es un modelo unidimensional y es frecuentemente aplicado por su confiabilidad, pero para entender el movimiento espacial al cual est sometido una partcula, es necesario determinar las otras dos componentes espaciales, para ello se recomienda trabajar con el modelo Surface Water Modeling System, este modelo numrico desarrolla un mejor comportamiento hidrodinmico en 3D para estudios ms profundos en hidrologa de ros.

A continuacin, se muestran la seccin transversal del puente Suro en la cara aguas arriba, para los dos eventos extraordinarios, alcanzndose un nivel de agua que vara desde los 3480.83 y 3481.29 msnm con tirantes que varan entre 4.98 y 5.44 m, para los casos de Tr = 100 y 500 aos respectivamente.TrNivel mximode agua(msnm)Tirante

mximo

1003480.834.98

5003481.295.44

En el Anexo C se presentan las tablas detalladas por seccin transversal de los resultados hidrulicos de las avenidas de periodos de retorno de 100 y 500 aos para todo el tramo estudiado.

Seccin Transversal puente Suro, cara aguas abajo, se aprecia la variacin de la velocidad, Tr=100 aos

Seccin Transversal puente Suro, cara aguas arriba, se aprecia la variacin de la velocidad, Tr=100 aos

Seccin Transversal puente Suro, cara aguas abajo, se aprecia la variacin de la velocidad, Tr=500 aos

Seccin Transversal puente Suro, cara aguas arriba, se aprecia la variacin de la velocidad, Tr=500 aosPerfil longitudinal de ro Gorgor, Tr = 100 aos, y niveles mximos de inundacin

Vista en 3D del drenaje superficial y la incidencia de este sobre la fisiografa en el tramo estudiado, para un Tr = 100 aos

Vista en 3D del drenaje superficial y la incidencia de este sobre la fisiografa en el tramo estudiado, para un Tr = 500 aos

5.3 Definicin de la Luz de Puente y Niveles de la superestructura

De la modelacin numrica se tiene que la luz del puente Suro es de 30 metros. El nivel de rasante es aproximadamente 3482.5 msnm, contando con un peralte aproximado de 1.2 m y un borde libre de 0.9 m.6. SOCAVACIN MXIMAPara la determinacin de la socavacin mxima en la seccin transversal del proyectado puente Suro se ha utilizado la avenida de Tr=500 aos, tal como lo sugiere el Manual de Hidrologa Hidrulica y Drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Per.El procedimiento y ecuaciones para determinar la socavacin mxima han sido tomados del circular N18 de la Divisin de Ingeniera Hidrulica de la Agencia Federal de Caminos de los Estados Unidos (FHWA, 2001), mediante el uso de software hidrulico HEC-RAS versin 4.1.Los datos hidrulicos necesarios para la estimacin de la socavacin mxima son tomados directamente de las avenidas simuladas de Tr= 100 y 500 aos previamente calculadas. Entre los principales datos requeridos se tiene el tirante hidrulico medio en el canal principal y mrgenes, velocidades medias en la seccin transversal, caudales en el canal principal y mrgenes, dimetro medio del material de lecho (tomado del estudio granulomtrico), ancho hidrulico, temperatura del agua, y tipo de ecuacin segn la velocidad critica de las partculas.A continuacin se muestran los datos de entrada y salida del modelo hidraulico de socavacin.

Entradas y salidas del modelo de socavacinLos resultados se resumen en:

MargenizquierdaCanalMargenderecha

Profundidad de socavacin Ys (m):1.133.863.29

A continuacin en lnea roja se muestra la ilustracin de la socavacin mxima producida en la seccin del puente Suro.6.1 Profundidad mnima recomendable de la cimentacin

Las profundidades mnimas de cimentacin, son:

En la margen derecha, la cota 3474.0 msnm (8.5 m debajo de la superficie de rodadura sugerida). En la margen izquierda, la cota 3472.0 msnm (10.5 m debajo de la superficie de rodadura sugerida).

Seccin transversal de socavacin en la ubicacin del proyectado puente Suro, ro Gorgor7. OBRAS DE ENCAUZAMIENTO

Se plantea la construccin de obras de encauzamiento 50 metros aguas arriba del puente Suro y 25 metros aguas abajo del mismo. Se propone que la obra de encauzamiento est formada por gaviones en la forma que se muestra a continuacin.

La altura H es de 3.5 m.

El dimensionamiento del encauzamiento se hace en base al manual de Control de Erosin con Gaviones de Rivera de ro del USAE (EEUU).Una de las principales variables de diseo es el dimetro medio de la roca de los gaviones, esta viene dada por la frmula:

En las que se ha asumido, Cs=0.1 (coeficiente de estabilidad), Cv = 1.25 (coeficiente de distribucin de velocidad), d=4.0 (tirante de flujo), g =9.81 (aceleracin de la gravedad), K1= 0.71 (factor de correccin de pendiente 1V:1.5H), Sf = 1.7 (factor de seguridad), V=4.5 (velocidad media), W=25 (ancho de agua), Ys=2.75 (peso especfico de la roca), Yw (peso especfico del agua). De ello se tiene que el dimetro medio de la roca de los gaviones debe de ser de 0.30 m.Dm=0.30 m

La velocidad de diseo es de 4.5 m/s.8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La seccin hidrulica del ro Gorgor en la zona del proyecto puente Suro, muestra una capacidad suficiente para los caudales extraordinarios estimada hasta un periodo de retorno de 500 aos que no supera los 252 m/s. Los niveles mximos de agua y tirantes para las avenidas de Tr= 100 y 500 aos son en la seccion del proyectado puento Suro son:TrNivel mximode agua(msnm)Tirante

mximo

1003480.834.98

5003481.295.44

Las profundidades de socavacion maxima en la seccion del puente Suro son:MargenizquierdaCanalMargenderecha

Profundidad de socavacin Ys (m):1.133.863.29

Se recomienda disear el borde libre del puente Suro con los niveles mximos de la avenida de Tr=100 aos. Se recomienda disear la cimentacin del puente Suro con los niveles de socavacin mxima de la avenida de Tr=500 aos.ANEXOS

A-1:Precipitacin media mensual estacin Gorgor SENAMHI.

A-2:Precipitacin mxima de 24 horas estacin Gorgor SENAMHI.

A-3:Prueba de bondad de ajuste Kolmogorov Smirnov.

B:Plano HI-01. Cuenca hidrogrfica.

C:Resultados de simulacin hidrulica ro Gorgor puente Suro.

D:Perfil estratigrfico Puente Suro Cajatambo.

Fuente: Hidrologa Aplicada, Ven ten Chow.

ESTUDIO DE PREINVERSION A NIVEL DE PERFIL PUENTE SURO Y ACCESOS

C:\Users\Ing. Martinez\Desktop\PERFIL DE PUENTE SURO\PERFIL PUENTE SURO GORGOR; VERSIN FINAL\ANEXO - 6.8\ESTUDIO HIDROLOGIA E HIDRAULICA PUENTE SURO v0 LOB.docF - 2 Godofredo Acosta

Julio 2013