Informe Hidrologia, Hidraulica y Drenaje (i)

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El presente documento es el Informe Final (IF) del estudio de hidrologa y drenaje para la Elaboracin del Estudio Definitivo y la Ejecucin de la Obra del Mantenimiento Peridico de la Carretera Ilave (EMP.R3S) Mazocruz, Tramo: Checca - Mazocruz (Km 10+00 al 83+000).

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<p>3</p> <p>ESTUDIO DEFINITIVO DEL MANTENIMIENTO PERIDICODEL TRAMO CHECCA - MAZOCRUZ</p> <p>ESTUDIO DEFINITIVO Y LA EJECUCION DE LA OBRA DEL MANTENIMIENTO PERIODICO DE LA CARRTERA ILAVE (EMP. R3S) MAZOCRUZ, TRAMO: CHECCA MAZOCRUZ (Km 10+000 AL Km 83+000)</p> <p>DEPARTAMENTO DE PUNOCHECCA - MAZOCRUZ</p> <p>INFORME DE HIDROLOGIA E HIDRAULICA </p> <p>INDICE5.1. INTRODUCCION </p> <p>5.1.1 Generalidades</p> <p>5.1.2 Objetivos5.2 MATERIALES Y METODOSMATERIALES</p> <p>Informacin Cartogrfica</p> <p>Informacin MeteorolgicaEquipos Programas de Cmputo 5.2.1 Metodologaa)Hidrologab)Drenaje</p> <p>5.2.1.1 Caracterizacin de las cuencas5.2.1.2 Hidrologa</p> <p>5.2.1.2.1 Caractersticas de las cuencas </p> <p>5.2.1.2.2 Anlisis de la precipitacin mxima de 24 horas</p> <p>5.2.1.2.3 Seleccin de la funcin de distribucin de probabilidad</p> <p>5.2.1.2.4 Lluvia de diseo</p> <p>5.2.1.2.5 Estimulacin de caudales mximos</p> <p>5.2.1.2.6 Calibracin del modelo</p> <p>5.2.1.2.6.1 Descarga mxima de observacin</p> <p>5.2.1.2.6.2 Descarga mxima de estimacina)Principales parmetros morfolgicos de la sub cuenca</p> <p>b)Principales parmetros iniciales del modelo</p> <p>c)Secuencia sobre el empleo de Hec HMS</p> <p>c1)Modelo de la cuenca</p> <p>c2)Modelo meteorolgico</p> <p>c3)Modelo de control de especificaciones</p> <p>5.2.1.2.7 Hidrograma de salida de la cuenca de calibracin5.2.1.2.8 Estimacin de caudales mximos e las quebradas5.2.1.2.9 Resumen y eleccin de los caudales mximos de diseo para las estructuras de cruce, obtenidos por los mtodos, Clark, Snyder y SCS5.2.1.3 Mtodo Racional</p> <p>5.2.1.4 Drenaje5.2.1.4.1 El sistema de drenaje actual5.2.1.4.2 Sistema de drenaje y obras de arte proyectadas5.2.2 Evaluacin de obras de arte5.2.2.1 Cunetas</p> <p>5.2.2.1.1 Clculo del caudal de diseo de las cunetas</p> <p>a)Consideraciones para la seleccin de la cuneta</p> <p>b)Pendiente longitudinal de la cuneta</p> <p>c)Rugosidad de la cuneta</p> <p>d)Longitud del tramo</p> <p>e)Entrega de cunetas</p> <p>f)Estructura de la cuneta hacia el terreno natural</p> <p>g)Estructura de entrega de cuneta hacia las alcantarillas</p> <p>5.3 RESULTADOS5.3.1 Precipitacin instantnea5.3.2 Seleccin de la funcin de distribucin</p> <p>5.3.3 Lluvia de diseo.5.3.4 Resultado de los caudales mximos de las quebradas de intercepcin con la va5.1. INTRODUCCIN5.1.1. Generalidades</p> <p>El presente documento es el Informe Final (IF) del estudio de hidrologa y drenaje para la Elaboracin del Estudio Definitivo y la Ejecucin de la Obra del Mantenimiento Peridico de la Carretera Ilave (EMP.R3S) Mazocruz, Tramo: Checca - Mazocruz (Km 10+00 al 83+000). El proyecto est elaborado por la El Consorcio San Marcos Mazocruz. El proyecto est ubicado polticamente entre los distritos de Checca y Mazocruz, en la provincia de Collao y departamento de Puno, geogrficamente se encuentra entre las coordenadas UTM: (430425.821-E, 8211983.746-N,) y (432322.59-E, 8148923.88-N).5.1.2. Objetivos Calcular los caudales de diseo de las obras de drenaje transversal y longitudinal, del la Elaboracin del Estudio Definitivo y la Ejecucin de la Obra del Mantenimiento Peridico de la Carretera Ilave (EMP.R3S) Mazocruz, Tramo: Checca - Mazocruz (Km 10+00 al 83+000). Evaluacin y planteamiento del sistema drenaje para el control del flujo de agua superficial en los eventos extraordinarios.</p> <p>5.2. MATERIALES Y METODOS</p> <p>MATERIALESInformacin Cartogrfica</p> <p>Se dispuso de la siguiente informacin cartogrfica, proveniente del Instituto Geogrfico Nacional (IGN).</p> <p>Descripcin</p> <p>Escala</p> <p>Mapa Fsico Poltico del Per</p> <p>1 / 1 000 000</p> <p>Mapa Vial del Per</p> <p>1 / 2 000 000</p> <p>Mapa Departamental de Puno</p> <p>1 / 1 000 000</p> <p>Cartas Nacionales 33 -x, 34 -x.</p> <p> 1 / 100 000</p> <p>Informacin Meteorolgica</p> <p>La informacin hidrolgica utilizada en el estudio es la hidrometeorolgica, la precipitacin mxima de 24 horas, de 10 aos de registro histrico de la estacin Ilave que se encuentra en la provincia del mismo nombre, Fuente, Oficina General de Estadstica e Informtica SENAMHI. Con fines de calibracin del modelo Hidrolgico Hydrologic Modeling System HEC-HMS, se ha considerado la cuenca del ro Ilave, teniendo como punto de control, el puente del mismo Nombre.</p> <p>La estacin pluviomtrica utilizada de la fuente es la estacin Ilave, cuyo registro histrico ser utilizado previo anlisis de consistencia y ajuste de las funciones de distribucin para eventos mximos extraordinarios y, aplicados al modelo HYDROLOGIC MODEL SYSTEM HEC-HMS. Ver el plano de ubicacin PU-1.</p> <p>Cuadro N 2.1, Ubicacin de la Estacin Hidrolgica</p> <p>FUENTE: SENAMHIEquipos</p> <p> GPS 12: 12 Channel GARMIN </p> <p> Cmara fotogrfica</p> <p> Wincha de 5m y 50m</p> <p> Scanner Microcomputador</p> <p> Impresora</p> <p>Programas de Cmputo</p> <p> Hydrologic Modeling System HEC-HMS v.2.2.2 Smada v.6.4.3 For Window Arc View V.3.2 ArcInfo V.3.3.1</p> <p> AutoCAD 2006</p> <p> Microsoft Office5.2.1. MeteorologaLa metodologa seguida para el presente trabajo comprende en dos bloques principales:</p> <p>a) Hidrolgicob) Drenaje.a) Hidrolgico.- Comprende en el anlisis de la informacin hidrometeorolgico y cartogrfico de la cuenca.</p> <p>El primero comprende en la recoleccin y compra de registros pluviomtricos y descargas disponible, de manera que para el presente estudio no se cont con la informacin de descarga mxima mensual para la calibracin del modelo, por lo que se ha generado el caudal observado hidrulicamente por el mtodo seccin pendiente, segn las medidas tomadas del puente Ilave como punto de control, ya que la zona de estudio se encuentra ubicado en la cuenca del ro del mismo nombre. Una vez calibrado dicho modelo se generan las descargas a partir de la precipitacin mxima de 24 horas, segn el tipo de la estructura previo anlisis y seleccin de las mismas para eventos extremos mximos y luego someter a una prueba de bondad de ajuste de las funciones de distribucin por el mtodo analtico de error cuadrtico mnimo.Por otro lado el anlisis cartogrfico consiste en la determinacin de parmetros geomorfolgicos de la cuenca o del modelo de aplicacin HEC-HMS. Obtenidos, dichos parmetros se simulan las descargas de diseo y luego se calibra el modelo para su aplicacin. </p> <p>b) Drenaje.- Comprende el inventario de las quebradas con descargas y/o secas para la proyeccin de estructuras de cruce, para garantizar el buen sistema de drenaje vial y mejorar la transitabilidad de la misma. </p> <p>Teniendo los resultados de la primera parte y definidas los tipos de estructura de drenaje se calculan las capacidades de las mismas para cada uno de ellosMetodologa de Trabajo</p> <p>I(HIDROLOGICO)</p> <p>II(DRENAJE)</p> <p>5.2.1.1. Caracterizacin del rea de estudio </p> <p>Se identifica como rea de estudio, al contexto fsico geogrfico, hidrogrfico y climatolgico, en el cual se desarrolla la Hidrologa y Drenaje del Elaboracin del Estudio Definitivo y la Ejecucin de la Obra del Mantenimiento Peridico de la Carretera Ilave (EMP.R3S) Mazocruz, Tramo: Checca - Mazocruz (Km 10+00 al 83+000).El proyecto vial en su integridad, se ubica entre las coordenadas geogrficamente UTM: (430425.821-E, 8211983.746-N,) y (432322.59-E, 8148923.88-N).</p> <p>El eje vial en estudio atraviesa una zona de relieve casi llano con ondulaciones suaves en ciertos tramos y con pendientes poco pronunciados, donde el trazo se emplaza a travs de va existente con terraplenes en relleno sobre superficies con suaves ondulaciones. 5.2.1.2. Hidrologa </p> <p>5.2.1.2.1. Caractersticas de las cuencas</p> <p>Hidrogrficamente el rea de estudio se encuentra en la Sub cuenca del ro Ilave que constituye uno de los tributarios de la cuenca de lago Titicaca. El ro Ilave nace en las confluencias de Uncallame y rio Grande que tiene una longitud de 70 Km. que recorre a lo largo de la zona alto andina en el que la precipitacin es de carcter estacional, el inicio de lluvias es en el mes de Diciembre generalmente y se extiende hasta fines del mes de Marzo, cuya rgimen pluvial es variable e irregular, se tiene la presencia de aos hmedos seguidos de aos secos y eventos extremos.</p> <p>CUADRO N 2.2</p> <p>Graf. : N02, Curva de histograma de precipitacin mxima de 24 horas</p> <p>5.2.1.2.2. Anlisis de la precipitacin mxima de 24 horas</p> <p>A partir de la precipitacin mxima de 24 horas se ha determinado la precipitacin mxima instantnea para un periodo de duraciones de 10, 15, 30, 60, 120, 180 y 240 minutos a travs de DYCK PESCHKE y WEIBULL, la cual fue sometida a un anlisis de ajuste de frecuencia de las funciones de distribucin para eventos extremos mximos por: Normal, Log normal-2P, Log normal-3P, Pearson-III, LogpearsonIII y Gumbel, que fue seleccionado por el mtodo analtico de error cuadrtico mnimo. </p> <p>CuadroN2.3, Transformacin, precipitacin diaria para diferentes periodos duracin</p> <p>Fuente: Elaboracin propia </p> <p>Cuadro N 2.4 Profundidad de precipitacin por Weibull</p> <p>Fuente: Elaboracin propia</p> <p>Una vez que se ha asignado periodo de retorno a cada ao de la lluvia mxima anual de registro, se procede a buscar la funcin de distribucin de probabilidad terica de mejor ajuste a los datos de la informacin, la cual es seleccionada a travs del mtodo analtico del error cuadrtico mnimo. </p> <p>5.2.1.2.3. Seleccin de la funcin de distribucin de probabilidadPara seleccionar la funcin de distribucin para eventos extremos mximos existen dos mtodos, grfico y analtico, el primer mtodo consiste en inspeccionar una grfica donde se haya ploteado cada una de los diferentes funciones junto con los puntos medidos. La funcin de distribucin de probabilidad que se selecciona ser la que se apegue visualmente mejor a los datos medidos. El segundo mtodo analtico, es el mtodo de error cuadrtico mnimo, consiste en calcular, para cada funcin de distribucin el error cuadrtico. </p> <p>Donde es el i-simo dato estimado y es el i-simo dato calculado con la funcin de distribucin bajo anlisis, la funcin seleccionada ser el de menor valor tal como se presenta en los cuadros de resultados Cuadro N3.2, al Cuadro N3.8, donde se muestra las precipitaciones mximas determinadas con cada uno de los modelos de distribucin y para cada uno de los periodos de duracin. La informacin se ajusta mejor a la funcin de distribucin LOG-PEARSON III, por lo que se tomar recomienda utilizar esta funcin para el fines de diseo hidrulico. </p> <p>5.2.1.2.4. Lluvia de diseo</p> <p>La lluvia de diseo para diferentes tiempos de retorno de 2 a 250 aos se ilustra en el cuadro N2.5, donde se aprecia que la profundidad de lluvia de diseo son mayores para periodos de duracin y tiempo de retorno mayores y viceversa para perodo de duracin y tiempo de retornos menores la profundidad de lluvia es menor.</p> <p>Cuadro N 2.5</p> <p>Fuente: Elaboracin Propia</p> <p>Grafico N 2.1</p> <p>5.2.1.2.5. Estimacin de caudales mximos El conocimiento adecuado de los valores del caudal mximo de descarga es importante para definir el diseo de las obras hidrulicas y el comportamiento de las mismas. Para ello se ha utilizado el modelo hidrolgico matemtico HYDROLOGIC MODELING SYSTEM (HEC-HMS) lo cual ha sido empleado para la determinacin de los caudales de diseo a partir de las precipitaciones mximas de diseo, previa calibracin del mismo.</p> <p>La calibracin del modelo se efectu tomando como punto de control el puente Ilave, para ello se ha considera las huellas y seales alcanzadas en las pocas extraordinarias con apoyo de los seores del lugar, los datos tomados en el campo son: Luz L= 149 m, alto h = 6.30 m, donde la huella alcanzada en los muros es 3.30 m, la rugosidad estimado del lecho es n = 0.023 y la pendiente promedio aproximado del cauce en el eje es 0.0025. Por cuanto el caudal en el punto de intercepcin es 2359.84 m3/s, segn el calculo hidrulico, seccin - pendiente.5.2.1.2.6. Calibracin del modelo 5.2.1.2.6.1. Descarga mxima de observacin</p> <p>Descarga (Qo)= 2359.84 m3/s (punto de control)</p> <p>La descarga mxima considerado para la calibracin, es el resultado de la evaluacin segn los datos tomados en campo, puente Ilave, como punto de control de la sub-cuenca del ro del mismo nombre.</p> <p>Para ello se ha hecho el clculo hidrulico por el mtodo, Seccin Pendiente, haciendo uso el SOFTWARE HCHANNEL, tal como presenta la hoja de reporte:</p> <p>5.2.1.2.6.2. Descarga mxima de estimacin</p> <p>a) Principales parmetros morfolgicos de la Sub-Cuenca.Teniendo como punto de control el Puente Ilave se tiene los datos morfolgicos de la Sub-Cuenca del ro del mismo nombre: </p> <p>rea de Influencia (A) = 6070.67 km2</p> <p>Longitud del cauce principal (Lc) = 118042 m.Pendiente promedio de la cuenca (s) = 0.008 m/m</p> <p>Tiempo de Concentracin (Tc) = 13.70 hs</p> <p>Rugosidad del lecho (n) =0.023CUENCA DEL RIO ILAVE</p> <p>Otros datos de la cuenca:</p> <p>Tipo de suelo: Tipo C, arena fina, alto contenido de arcilla.CN= 86 (cobertura pastizal con pendiente mayor de 1 % )</p> <p>La permeabilidad 77 % por ser suelo cubierto de pastos natrales. </p> <p>b) Principales parmetros iniciales del modelo.</p> <p>Los principales parmetros del modelo con fines de calibracin se resumen en el siguiente cuadro N2.6.</p> <p>Cuadro N2.6 Parmetros Iniciales del Modelo</p> <p>TASA DE PERDIDASFLUJO BASE</p> <p>SCSRecesin</p> <p>Perd. InicialSCS Curve N%Imp.SCS LagConst. InicialTa ConstUmbral</p> <p>Km2mmN%Hrcm.Cm</p> <p>Qi6070.68.26867713.700.010.100.01</p> <p>Fuente: Elaboracin propia</p> <p>c) Secuencia sobre el empleo de HEC- HMS </p> <p>El HYDROLOGIC MODELING SYSTEM (HEC-HMS), utiliza tres tipos de archivos: Modelo de Cuenca, Modelo Meteorolgico y Control de especificaciones, cada uno de estos archivos requieren parmetros de cuenca y del modelo propiamente dicho, donde existen parmetros variables y constantes dependiendo del tipo de estudio. Para nuestro caso especfico los parmetros relacionados a la permeabilidad y tipo de suelo se consideran constantes por presentarse desde el punto de control similares caractersticas fisiogrficas y edafolgicas, pero los parmetros relacionados al comportamiento hidrolgico y meteorolgico son variables segn la altitud o piso ecolgico.</p> <p>c1)Modelo de la cuenca</p> <p>Para nuestro caso consideramos las reas de influencia de los diferentes puntos de intercepcin de la Sub-cuenca del ro Ilave que constituye uno de las vertientes del lago Titicaca.</p> <p>Para la delimitacin del rea de influencia se utiliz la carta nacional teniendo como apoyo el Mapa Hidrogrfico del estudio de la ONERN, escalas de 1/100,000 y 1/350,000 respectivamente, las cuales constituyen informaciones cartogrficas para determinar los parmetros morfolgicos de la cuenca. </p> <p> Tasa de prdidas</p> <p>Para determinar la tasa de prdidas se utiliz el mtodo del Servicio de Conservacin Suelos (SCS), es decir los valores de CN asignados, que fueron extrados del manual de referencia tcnicas del HEC-HMS segn las caractersticas fisiogrficas de la zona. El valor de CN para la zona es 86, por el tipo de suelo poco permeable y segn las condiciones fisiogrficos del lugar, corresponde suelo de tipo C.</p> <p> Prdidas iniciales </p> <p>Las perdidas iniciales, se determinaron a partir de las relaciones:</p> <p>Donde:</p> <p>Perdidas iniciales (mm)</p> <p> Retencin mxima potencial</p> <p>Nmero de Curva</p> <p>A nivel de la cuenca existe variacin fisiogrfica, para nuestro caso se ha considerado un promedio para toda el rea de influencia que es 77% impermeable. Transformacin de l...</p>