TITULO MEMORIAS DE CALCULO HIDRULICAS - HIDROLOGICAS EMBALSE PIEDRAS NEGRAS AUTOR(ES) e-mail renep@b-manga.multi.net.co Ren Alexander Pinto

CARRERA UNIVERSIDAD Ingeniera Civil Universidad Pontifica Bolivariana MATERIA PROFESOR Estructuras Hidrulicas Pedro Muoz Lasprilla CIUDAD PAIS FECHA ELABORACION Bucaramanga Colombia Primer semestre del 2000 DESCRIPCION Contiene las memorias de los clculos hidrulico e hidrolgico del embalse Piedras Negras, abastecido por los caudales que drenan la subcuenca de la quebrada La Angula, en Santander.

CODIGO DEL MATERIAL:

civa0130

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MEMORIAS DE CALCULO HIDRULICAS - HIDROLOGICAS EMBALSE PIEDRAS NEGRASDATOS GENERALES EMBALSE PIEDRAS NEGRAS AREA DE LA CUENCA HASTA EL SITIO DE CIERRE: 2694.68 Ha Esta zona se encuentra dividida en dos zonas de influencia que son: Estacin La Laguna con un rea de influencia de 435.98 Ha que corresponde al 16.18% Estacin El Pantano con un rea de influencia de 2258.7 Ha que corresponde al 83.82% respectivamente. DESCRIPCION DE LA CUENCA La subcuenca de la quebrada La Angula hace parte de la cuenca del Ro Lebrija, al cual drena sus aguas por la margen izquierda en el sitio denominado Palmas. A partir del sitio de su desembocadura se produce en la cuenca del Ro Lebrija un cambio en la topografa del terreno pasando de un valle encaonado y de alta pendiente a uno de mayor amplitud y de pendiente suave. La subcuenca de la quebrada La Angula tiene como puntos extremos las siguientes coordenadas planas: Y = 1292000 Y = 1104000 X = 1262000 X = 1087000 Tiene un rea total de 216.59 kilmetros cuadrados y esta dividida en cinco micro cuencas que son: La Angula Baja con 70.56 Km2 La Angula Media con 58.37 Km2 La Angula Alta con 36.84 Km2 La Quebrada Puente Nave con 22.80 Km2 La Quebrada Las Lajas con 28.02 Km2. En la subcuenca tiene jurisdiccin poltica administrativa los municipios de Lebrija, con su casco urbano en el centro del rea de estudio, y Girn en la Zona denominada El Pantano, en donde nace la quebrada La Angula. De las aguas de la Quebrada La Angula se beneficiara el acueducto del municipio de Lebrija, al igual que un variado numero de acueductos rurales comunitarios e individuales. La subcuenca he experimentado desde hace un tiempo un proceso de desertificacin por la deforestacin y apertura de la frontera agrcola para el cultivo de la pia, especialmente desde la construccin de la carretera Bucaramanga - Barrancabermeja (1940), la cual atraviesa la subcuenca en sentido Este-Oeste. A partir de esta poca se aumento significativamente la apertura de vas veredales y la colonizacin para la produccin y comercializacin de la pia a nivel nacional e internacional.

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COBERTURA VEGETAL: Esta comprendida de acuerdo con los siguientes porcentajes: Un 40% de reas mixtas de bosques succecional con actividad cultural, con presencia de arbustos que no superan los 10m de altura y estos a su vez ocupan el 80% y un 20% de rea cultural. Un 40% de actividades pecuarias y agrcolas. Un 10% de reas mixtas de bosques secundarios y marginal con actividad cultural donde se observan especies nativas de poco valor cultural ubicadas en nacimientos y mrgenes de quebradas. La altura total de bosques no sobrepasa los 25 m con un 80% de cobertura vegetal y 20% de cobertura cultural. Un 5% reas mixtas de vervechos y vegetacin arbustiva con actividad cultural. Con arbustos que no superan 4 m. La proporcin es 80% de cobertura vegetal y 20% de cobertura cultural. Un 5% de rea de pasto natural y herbceos de crecimiento espontneo. CARACTERISTICAS GEOTECNICAS La zona esta conformada por unidades de roca de carcter competente conformado por areniscas de grano medio a grueso duras y compactas en bancos de mas de dos metros de espesor que pertenecen a la formacin Girn. Los suelos que cubren la roca en la cuenca de la quebrada La Angula son de carcter areno arcilloso, e impermeables y por lo tanto no deben ser removidos. El cauce y la rivera de la quebrada en su mayor parte estn totalmente desprotegidos por la presencia de cultivos limpios de pia, que generan procesos erosivos que producen sobre sedimentacin. Aguas arriba del eje de la presa ( Kilmetro), se estn generando procesos erosivos en la cuenca, crendose crcavas de gran tamao, causadas por el mal uso del suelo en la cuenca. A continuacin se presenta en forma simplificada, el perfil estratigrfico del subsuelo: 1. Suelos areno arcillosos de color amarillo rojizo con espesores promedio de 0.5 a 1.0 metros 2. Suelos arenosos de color gris amarillento de 1.5 metros de espesor como promedio 3. Roca inalterada, conformada por areniscas de grano medio a fino duras y compactadas. Con base en los trabajos de campo y de laboratorio se pudo establecer que el subsuelo presenta caractersticas y propiedades homogneas en el sentido horizontal y variables con la profundidad. Las partes bajas de los lotes estn cubiertos por materiales aluviales, conformado por suelos arenosos sueltos (SM), de espesores entre 1.0 y 2.0

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metros, especialmente en las zonas cercanas al margen derecha de la quebrada. Estos depsitos descansan sobre la roca intermedia. El rea del eje donde se apoyaran el ala izquierda y el ala derecha de la presa presentan dos tipos de suelos, los que varan desde arena arcillosa (SC), hasta arcilla arenosa (CL) muy densa, con capacidades portantes altas. GEOLOGA GENERAL: La zona del embalse se localiza sobre la quebrada La Angula, en la vereda de Piedras Negras. 400 metros aguas arriba del puente que pasa sobre dicha quebrada en la va que comunica con el corregimiento de motoso. En el rea de estudio afloran rocas sedimentarias pertenecientes a la formacin Girn, roca sobre la cual el cauce de la Quebrada La Angula. Una descripcin de la composicin de la roca en la zona, se describe como: - Areniscas blancas de grano fino a medio, de consistencia firme, en capas de 20 a 80 cm de espesor. Se observa la presencia de mica principalmente en los planos de estratificacin. - Areniscas cuarzosas, gris amarillentas, en bancos de 20 a 80 cm de espesor con matriz areno arcillosa. Los contactos entre los bancos son planos, paralelos y continuos. INFORMACIN HIDROMETEREOLGICA: Los aportes estudiados para el sitio de cierre llegan a ser de 77.7 L/s de los cuales para el calculo de aportes no se tuvo en cuenta. Los datos pluviomtricos de las 2 estaciones mencionadas fueron afectados para obtener volmenes ms reales de escorrenta. Esto se realizo ya que no se calcularon los volmenes de Evapotranspiracin e Infiltracin. CARACTERSTICAS DE LA PRESA: Utilizacin. La utilizacin que se puede otorgar es de almacenamiento para consumo humano, riego, presa reguladora; dada la necesidad de tener el agua suficiente para el abastecimiento del acueducto de municipio de Lebrija y cultivos presentes en la zona. La cortina posee las siguientes caractersticas: Un muro de Tierra de 10 m de altura efectiva y un ancho de 57.5 m en la parte superior, el volumen que se aspira a tener es de 263150 m3 y un rea de inundacin de 15.65 Ha distribuidas en un almacenamiento longitudinal. CALCULO DE LAS CURVAS ELEVACIN VOLUMEN Y ELEVACIN AREA Basndose en la topografa de la cuenca y tomando una elevacin entre curvas de 1m, se hallaron las curvas elevacin rea y elevacin volumen, se utilizo el, programa Excel para calcular las ecuaciones y las correlaciones respectivas

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COTA MSNM 1133 1134 1135 1136 1137 1138 1139 1140 1141 1142 1143

AREA Ha 0.43 1.20 2.23 3.26 4.84 6.24 8.47 10.84 13.07 15.65 19.86

VOLUMEN PARCIAL m3 8150 17150 27450 40500 55400 73550 96550 119550 143600 177550

VOLUMEN ACUMULADO m3 8150 25300 44600 67950 95900 128950 170100 216100 263150 321150

Area Acumulada vs Elevacin1143 1142 1141 1140 Elevacin MSNM 1139 1138 1137 1136 1135 1134 1133 1132 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00Area Ha

y = -0.0235x2 + 0.9337x + 1132.9 R2 = 0.9952AREA Ha Polinmica

10.00

12.00

14.00

16.00

Ecuacin: y = -0.0235x2 + 0.9337x + 1132.9

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Volumen Acumulado vs Elevacin1143 1142 1141 1140

Elevacion MSNM

1139 1138 1137 1136 1135 1134 1133 0 50000 100000 150000

y = -7E-11x + 5E-05x + 1133.8 2 R = 0.9973

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VOLUMEN ACUMULADO m3 Polinmica

200000

250000

300000

Volumen Acumulado m3

Ecuacin: y = -7E-11x2 + 5E-5x + 1133.68 CALCULO DEL CAUDAL DE APORTES: Se determino el coeficiente de escorrenta teniendo en cuenta que el tipo de suelo que se encontr en la regin fue areno arcilloso con una pendiente del terreno comprendida entre el 5 al 10% y una cobertura vegetal de bosques y maleza la cual facilit la lectura de tablas de escorrenta tpica del manual de pequeas presas del HIMAT lo cual llev a determinar un coeficiente de 0.25. Cabe notar que este coeficiente fue afectado para poder utilizar el volumen mximo de la presa que son 263150 m3. Como se puede apreciar en los cuadros siguientes el coeficiente de escorrenta fue de 0.045, los datos de aportes promedios mensuales en (m3) fueron obtenidos por la siguiente formula. V = 10 * A * P * C donde : V = Volmen (m3) A = Area (Ha) P = Precipitacin promedio mensual en (mm) C = Coeficiente de escorrenta CALCULO DEL CAUDAL DE DEMANDA: Se obtuvo por medio de la ley de regulacin que es igual a:

y=

QD

Q APORTES6

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Por motivos acadmicos se determino que el valor de la ley de regulacin debe oscilar entre 0.75 - 0.80. En nuestro caso utilizamos 0.75 para los clculos respectivos. DETERMINACIN DEL VOLUMEN UTIL Se utilizo la metodologa de la ley de regulacin y as obtuvimos un volumen til de 217605 m3 CALCULO DEL VOLUMEN DE AZOLVES Se realiz por el mtodo de USLE. Este mtodo es utilizado para predecir la perdida de suelo por erosin laminar, expresada en la perdida promedio mensual de suelo. A = R . K . LS . C . P donde: A = Perdida de suelo por unidad de rea (ton /ao) R = Factor de lluvia K = Factor de erodabilidad LS = Factor topogrfico C = Factor de manejo agrcola P = Factor de practicas de conservacin FACTOR DE LLUVIA: R = ( 12.142 + 8.877 log I30 ) I30 I30 = Mayor intensidad en 30 minutos (mm/hora) Debido a que no existen datos pluviogrficos de la cuenca se calculo con un factor de incidencia del 12% de la mxima precipitacin diaria del registro hidrolgico. Estos valores mximos fueron 91 mm/da y 110 mm/da registrados por las estaciones La Laguna el da 10 de noviembre de 1993 y El Pantano el da 22 de noviembre de 1992 respectivamente. Estacin La Laguna % incidencia 16.18% Mxima precipitacin = 91 mm I30 = 0.12*(91) = 10.92 mm/hora R = (12.142 + 8.877 log 10.92)*10.92 R = 233.23*0.1618 = 37.7366 Estacin El Pantano % incidencia 83.82% Mxima precipitacin en 24 horas = 110 mm I30 = 0.12*(110) = 13.2 mm/hora R = (12.142 + 8.877 log 13.2)*13.2

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R = 291.58*0.8382 = 244.40

RTOTAL = 244.40 + 37.7366 = 282.14 FACTOR DE ERODABILIDAD (K) Utilizando monograma calculamos el factor de la siguiente forma: Datos de entrada % arena fina + limo = 42.62% % arena = 57.38% % materia orgnica = 1% Estructura del suelo granular medio grueso Permeabilidad moderada K = 0.37 Ton/acre 0.8288 Ton/Ha FACTOR TOPOGRAFICO (Ls)

L=

0 .5 A LT

L = Longitud media de la cuenca A = Area cuenca LT = Longitud total de cauces de la cuenca A = 2694.68 Ha 26946.800 m2 LT = 86009 m

L=

0.5 (26946800 ) = 156.65 m 86009

Si = % de pendiente promedio

Si =

H * ( L J + L J +1 ) 2 Ai

H = Diferencia de altura entre curvas de nivel LJ = longitud de curva de nivel LJ+1 = longitud curva de nivel siguiente Ai = Area entre curvas J y J+1

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Curvas 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 sumatoria S=

Longitud (m) 5,150.00 5,787.09

Area (m2) 1,081,250.00 1,837,000.00

Si (m) 0.253 0.256 0.144 0.131 0.207 0.152 0.560 1.071 0.659

Si*Ai 273,427.25 470,107.75 770,649.75 875,365.25 915,801.50 808,814.75 766,925.00 615,889.00 210,209.50 5,707,189.75

13,017.22 5,363,254.68 17,808.77 6,661,795.35 17,205.84 4,428,500.00 19,426.22 5,312,500.00 12,926.37 1,368,750.00 17,750.63 575,000.00 6,884.93 318,749.97 1,523.45

Ai * S iACUENCA

= 0.212

Ls = L 0.0138 + 0.00965 + 0.000138 S 2 Ls = 0.1984

(

)

FACTOR DE MANEJO AGRICOLA (C) Se hallo utilizando monograma Factor C1: Proteccin Foliar - Porcentaje de cubrimiento Forestal = 80% - Altura promedia de cada de gotas = 2 m C1 = 0.60 Factor C2: Cubrimiento de residuo vegetal - Porcentaje de cubrimiento de Residuo vegetal = 30% C2 = 0.43 Factor C3: Efectos Residuales uso de la tierra - Porcentaje races en el suelo comparado con el pasto = 40% - Se tomo como matorrales la vegetacin predominante

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C3 = 0.386 C = C1*C2*C3 C = 0.60*0.43*0.386 C = 0.0996 FACTOR DE PRACTICAS DE CONSERVACIN (P) Obtenido de la tabla con: - pendiente de terreno 5-10% esto es decir 7.1-1205 de la tabla y cultivos en surcos siguiendo las curvas de nivel FACTOR PRACTICAS DE CONSERVACION P Cultivo en surcos Cultivo en fajas Cultivo en terrazas y siguiendo siguiendo por surcos siguiendo las curvas de nivel las curvas de nivel las curvas de nivel 0.6 0.3 0.12 0.5 0.25 0.1 0.6 0.3 0.12 0.8 0.4 0.16 0.9 0.45 0.18

% Pendiente 1.1 - 2.0 2.1 - 7.0 7.1 - 12.0 12.1 - 18.0 18.1 - 24.0 P = 0.60

Total carga de sedimentos A = RKLsCP R = 282.14 Ls = 0.1984 K = 0.8288 Ton/Ha C = 0.0996 A = 2.772 Ton/Ha A = 7469.65 Ton DELIVERY RATIO (DR) Y DR = A

P = 0.60

El valor de DR se obtiene de tablas, entrando con el rea de drenaje en Km2

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ESTIMATIVO GENERAL PARA EL CALCULO DEL DELIVERY RATIO Area de Drenaje Km2 0.05 0.10 0.50 1.00 5.00 10.00 50.00 100.00 500.00 1000.00 Area de drenaje = 26.94 Km2 DR = 0.1589 A = 7469.65 Y = A*DR Y = 7469.65*0.1589 = 1186.93 Ton/ao Para un periodo de 25 aos Y = 296.73.196 Ton/25 aos VOLUMEN DE AZOLVES Y Vs = Delivery Ratio 0.58 0.52 0.39 0.35 0.25 0.22 0.153 0.127 0.079 0.059

= 1.8 Ton/m3 Y = 29673.196 Ton Volumen total de sedimentos = 16485.11 m3 PRECIPITACION MAXIMA Siguiendo los principios de diseo de alcantarillado pluvial se determino: Q = C*I*A C = coeficiente de escorrenta I =intensidad [LPS/Ha] A = Area de la cuenca [Ha] Determinaron del tiempo de concentracin 0.87 L3 t = H L = longitud de los cauces de la cuenca0.385

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H = diferencia de cotas de la cuenca (Mxima y mnima). L = 14336 m H = 350 m t = 2.15 Horas L3 t = 0.30 1 4 J 0.76

J = pendiente de la cuenca L = 14336 m J = 0.0347 t = 246 min. 4 horas Precipitacin mximas (Obtenido tabla CDMB) 25 aos I = 152 LPS/Ha Q = C*I*A C = 0.3 A = 2694.7 Ha Q = 122877 LPS 122.88 m3/s 50 aos I = 170 LPS/Ha Q = C*I*A C = 0.3 A = 2694.7 Ha Q = 137429 LPS 137.43 m3/s Borde Libre: El borde libre, llamado tambin resguardo, es la distancia vertical entre el nivel mximo del agua y la cresta o corona de la presa. Esta es una altura de seguridad de la presa cuya finalidad es evitar que se presente rebosamiento por oleaje y prever cualquier contingencia como asentamientos no previstos, aportes de la hoya superiores a los estimados, reduccin de la capacidad del aliviadero por alguna obstruccin, etc. Para llegar a obtener borde libre se determina de la siguiente forma: 1. Calculo del Fetch Efectivo 2. Calculo Borde libre siguiendo los parmetros 1. Fetch Efectivo

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cos 0.71 0.77 0.87 0.94 0.98 1.00 0.98 0.94 0.87 0.77 0.71 =9.54 Fef = Fef =

Xi [Km] 0.096 0.104 0.112 0.122 0.139 0.160 0.158 0.126 0.114 0.026 0.020

Xi [cos] 0.06816 0.08008 0.09744 0.11468 0.13622 0.160 0.15484 0.11894 0.09918 0.02002 0.0142 =1.036326

xi * cos cos1.06326 = 0.111453 Km 9.54

2. Borde Libre BL = zd+zr+zs Zd = altura de la ola Zr = altura rum-up Zr = onda set-up Datos V = velocidad del viento = 22 m/s 50 millas/hora Fetch Efectivo (Fef) = 0.111453 Km Pendiente del talud = 1/3 = 0.34 D = mxima profundidad del vaso en la direccin del vaso = 9.50 m = ngulo en la direccin del viento = 280 Calculo de la altura de la ola OCEAN Zd = 0.034 Ur1.06 F 0.47 F = 0.069253 millas Ur = 50 millas/ hora Zd = 0.039*501.06*0.0692530.47 Zd = 0.61 Ft 0.1868 m STEFENSON Zd = 0.34*F1/2

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F = 0.111453 Km Zd = 0.34*(0.111453)1/2 = 0.113507 m MOLITOR Zd = 0.032*(U*F)1/2+ 0.75 - 0.27*F1/4 U = 79.2 Km/h F = 0.111453 Km Zd = 0.032*(79.2*0.111453)1/2 + 0.75 - 0.27*(0.111453)1/4 Zd = 0.6840 m FALVEYS Se considero que la altura promedio de las olas H1/3=2d Zd = (3.1*10-4*U2 + 1.6*10-2*U)*F1/2 U = 22 m/s F = 0.111453 Zd = ((3.1*10-4*(22)2 + 1.6*10-2*(22))*(0.111453)1/2 Zd = 0.167603 Se asume el promedio de las alturas de la ola obtenida por medio de los clculos anteriores 0.1868 + 0.113507 + 0.6890 + 0.167603 4 Zd = 0.3892 m Zd = DETERMINACIN DEL Zr (run-up) tr = 0.46*U0.44*F0.28 U = 50 millas/h F = 0.069253 tr = 0.46*(50)0.44*(0.069253)0.28=1.2179 horas = 5.12(tr)2 tr = 1.2179 horas = 5.12(1.2179)2 = 7.5949 ft 2.3149 m Zd 0.2892 = = 0.12 2.3149 De acuerdo a la lectura obtenida de la grfica entrando con la pendiente del talud (1/3) y con la relacin Zd/ =0.12 se obtiene la relacin Zr/Zd entonces: Zr/Zd =1.1 Zr = 1.1*0.2892 = 0.31812 m Set - up onda (Zs) U2 *F Zs = cos 6300 * d

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U = 72.9 Km/h F = 0.111453 Km D = 9.50 m Zs = (72.9) 2 * 0.111453 cos 28 6300 * (950)

Zs = 0.000873 m BL = Zd+Zr+Zs BL = 0.2892 + 0.31812 + 0.000873 = 0.6008193 m Como se observa en el grfico de fetch efectivo no se tuvo en cuenta la longitud total del vaso de almacenamiento, debido a que este es Longitudinal; Para las presas a construir en desarrollo del programa de pequeos lagos de HIMAT, se recomiendan los siguientes bordes libres. ALTURA TOTAL DE LA PRESA [m] Hasta 4 4-6 6-8 8 - 10 BORDE LIBRE [m] 0.60 0.90 1.20 1.30

Por lo tanto y teniendo en cuenta la altura de la cortina de 9.46 m, el borde libre recomendado es de 1.30 m NIVELES DEL VASO Teniendo los respectivos volmenes de azolves, til, y por medio del transito del vaso, se calculan las respectivas cotas con la ecuacin de la curva elevacin volumen. y = - 7E - 11x 2 + 5E - 5x + 1133.68 La cota corona de la cortina se halla sumando el borde libre y el NAME Nivel NAMINO NAMO NAME Corona Volumen (m3) 16,485.11 234,090.55 Cota (msnm) 1133.68 1141.55 1142.46 1143.76

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