Facultad de Ingenieria

UNC

CONSTRUCCIN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA PE

(BAMBAMARCA)

ESTUDIO DE DRENAJE1. INTRODUCCINEl drenaje de carreteras constituye uno de los aspectos bsicos e imprescindibles en todos los proyectos de sistemas viales terrestres, sobre todo en aquellos que se ubican en zonas montaosas donde ocurren frecuentes e intensas precipitaciones. La falta y/o deficiencia de los sistemas de drenaje trae consigo el deterioro y destruccin parcial o total del pavimento y de las obras de arte a muy corto plazo, incrementndose en consecuencia los costos por reposicin y/o mantenimiento de las diversas obras componentes del proyecto.

El agua de lluvia se infiltra en las laderas de las zonas altas adyacentes, saturando el talud en corte, desestabilizando y provocando deslizamientos de grandes masas de suelo que colmatan y obstruyen el camino. Este problema se agrava por ausencia de drenes de coronacin y por falta o deficiencia en los estudios de estabilidad de taludes.Un buen sistema de drenaje lateral y transversal de las carreteras permite controlar la erosin y el socavamiento del pavimento, garantizando as la vida econmica prevista en el proyecto. La rpida evacuacin del agua proveniente de la propia va y de zonas aledaas permite proteger, no slo el pavimento o afirmado sino tambin a las diferentes estructuras, contra posibles daos por sedimentacin, erosin o socavamiento.

De otro lado, cuando se plantean las estructuras de cruce de va - puentes, pontones, alcantarillas, badenes, etc. - con los cursos naturales, debe tenerse sumo cuidado en no provocar alteraciones, en lo referente a su ancho y pendiente de los cursos naturales donde la va los cruza, pues toda modificacin en la geometra de la seccin y en la pendiente, suelen causar serias distorsiones en el patrn de flujo natural, provocando erosin y socavamiento o sedimentacin; segn que se disminuya el ancho de seccin y/o se incremente la pendiente , o que se incremente el ancho de seccin y/o se disminuya la pendiente. Lo primero, puede ocasionar desestabilizacin y colapso de las estructuras y, lo segundo causar inundaciones severas en zonas aledaas y daar propiedades privadas. El xito o fracaso de los proyectos de carreteras, en zonas montaosas con alta y persistente pluviosidad, depende en gran medida, de la eficacia o deficiencia de los sistemas de drenaje, respectivamente. Las grandes prdidas econmicas ocasionadas en el sistema vial del Norte Peruano - por ejemplo, durante el fenmeno de El Nio de 1987 - se debieron precisamente a la falta y/o deficiencia de la capacidad vertedora de los sistemas de drenaje.

El drenaje transversal, mediante alcantarillas aliviadoras mal ubicadas, daa frecuentemente terrenos agrcolas y provocan erosin y socavamiento, afectando negativamente la propiedad privada y el paisaje. Por ello, estas alcantarillas debern ubicarse en zonas geolgicamente estables y descargar artificialmente hacia los cursos naturales ms prximos.Ubicacin

El Proyecto de Construccin y Mejoramiento de la carretera pe-3N (Bambamarca) Paccha Chimbn Pin L.D. Con amazonas (EMP AM-103 el triunfo) , se ubica en la Subcuenca del ro Llaucano y cuenca del ro Maran; con un rea de influencia que se inicia en las nacientes del ro Llaucn- aguas arriba de la ciudad de Bambamarca- a una altitud aproximada de 4 000 m.s.n.m, hasta una altitud de 530 m.s.n.m, donde se ubicar el puente sobre el ro Maran. La cobertura vegetal es del tipo arbrea, escasa en ciertas reas hasta muy densa en otras.

El tramo en estudio tiene la siguiente ubicacin: PolticaDistritos

: Chadn, Chimbn, Pion, El TriunfoProvincia: Bambamarca, Chota, Santa CruzRegin

: Cajamarca Hidrolgica

Subcuenca: Ro LlaucanoCuenca : Ro MaranVertiente: Atlntico Geogrfica

El tramo en estudio tiene las siguientes coordenadas:Punto inicio : 9262053(N)

774604 (E)

Altitud : 2 478 m.s.n.m.

Punto final : 9325880(N) (Puente sobre el ro Maran) (Puente) 776863 (E)Altitud : 514 m.s.n.m.Objetivos

El propsito del presente trabajo es evaluar el comportamiento del sistema hidrolgico de la zona, donde se ubica el proyecto de Construccin y Mejoramiento de la carretera Bambamarca a fin de dotarlo de un sistema de drenaje adecuado, donde el planteamiento geomtrico general y el diseo hidrulico del sistema de drenaje proyectado, garanticen: duracin, economa, funcionalidad y mnimo impacto ambiental negativo.

Son objetivos del estudio hidrolgico:

-Prediccin de los probables gastos instantneos de escorrenta directa que permita proyectar, de manera ptima, las diferentes estructuras del sistema de drenaje del proyecto en estudio: cunetas, alcantarillas, badenes.

Estimar la capacidad de degradacin de la cuenca receptora colectora, a fin de prever el control de la erosin y sedimentacin en las diversas estructuras de drenaje del proyecto, con el objeto de conseguir mxima proteccin de las obras y mnimo impacto ambiental negativo.

Dotar de un sistema de drenaje eficiente que, por un lado, garantice la vida econmica del proyecto, y por el otro, minimice los costos de mantenimiento. Estimar, mediante la hidrulica fluvial, la mnima profundidad de cimentacin del puente proyectado sobre el ro Maran. JustificacinEl drenaje horizontal (cunetas) de carreteras tiene la peculiaridad de poseer, generalmente, pequeas reas colectoras y, por tanto, pequeos tiempos de concentracin. Este hecho, determina que la metodologa ms adecuada para el estudio del drenaje consista en un anlisis de tormentas sobre bandas provenientes de pluvimetros registradores o pluvigrafos. Lamentablemente en la zona de estudio - ni en cuencas vecinas de la regin - existe este tipo de informacin, consistente en bandas pluviogrficas, tenindose que acudir a criterios de transferencia para generar tales variables a partir de Estaciones ms prximas, como es la Estacin Weberbauer ubicada en la ciudad universitaria de la Universidad Nacional de Cajamarca en el distrito y provincia de Cajamarca.Siendo el drenaje un sistema de proteccin, contra efectos destructivos del agua, es de necesidad imperiosa que los sistemas de drenaje viales, en zonas montaosas de alta pluviosidad como sta, tengan una concepcin estratgica que, a la par de garantizar la vida econmica del proyecto, minimicen los costos de mantenimiento y mitiguen los efectos de impacto ambiental negativo.

2. INFORMACIN HIDROMETEOROLGICA Y CARTOGRFICAInformacin Climtica GeneralEl anlisis regional de variables climatolgicas en la zona del proyecto se realiza, teniendo en cuenta que la variabilidad altitudinal es entre los 4000 m.s.n.m en la naciente del ro Llaucn (Seal San Cirilo), hasta unos 514 m.s.n.m, en el lugar donde se ubicar el puente futuro sobre el ro Maran. Pluviosidad

En el rea de influencia del tramo en estudio, se estima que el mdulo pluviomtrico vara desde unos 1 100 mm /ao en la cuenca alta del ro Llaucn, hasta unos 800 mm/ao, en la cota ms baja del puente sobre el ro Maran. Es de hacer notar que en esta zona, por debajo de los 2000 m.s.n.m, la precipitacin ya no es funcin de la altitud, por la influencia de las proximidades de la regin amaznica. No obstante ello, del total de la lmina precipitada, alrededor del 65% cae en el periodo hmedo (Enero - Abril), el 15% en el periodo de estiaje y el 20% restante en el periodo de transicin (Septiembre - Diciembre).

Generalmente, para un mismo ao hidrolgico, las mayores lminas de precipitacin tienen lugar en el periodo hmedo; en cambio las mnimas se registran en el periodo de estiaje. Sin embargo, las tormentas de mayores lminas precipitadas, no siempre generan las mayores intensidades, teniendo estas ltimas caractersticas de extrema variabilidad en el tiempo y en el espacio. Frente a tal comportamiento extremo, existe la imperiosa necesidad de realizar un minucioso anlisis de las tormentas ms crticas, en lo concerniente a intensidades mximas de precipitacin, ya que stas son las que generan excesivos volmenes de escorrenta directa, los mismos que hay que evacuar rpidamente a travs de los sistemas de drenaje superficial a fin de proteger la carpeta de la carretera y dems obras complementarias. Temperatura

En cuanto al rgimen trmico se puede inferir que, para la misma localidad, los promedios mensuales se mantienen casi estacionarios durante el ao y de un ao a otro, con una desviacin tpica que pequea y despreciable. Sin embargo, existe una marcada variacin de los promedios con la altitud y entre los promedios extremos de mximas y mnimas. Se estima que la temperatura promedio anual varia desde unos10 C en la cabecera de cuenca del ro Llaucn hasta unos 22C en el punto ms bajo (puente proyectado sobre el ro Maran). Sin en la cabecera de cuenca del ro Llaucn, las temperaturas en estiaje pueden llegar hasta 8C bajo cero, produciendo intensas heladas. Humedad Relativa

Similarmente, a lo que ocurre con la temperatura y la pluviosidad, la humedad relativa vara tambin con la altitud, estimndose que para la zona de estudio varan los promedios anuales entre un 50% en la cabecera de cuenca del ro Llaucn hasta 70% en el punto ms bajo (puente proyectado sobre el ro Maran). Evapotranspiracin

La evapotranspiracin potencial promedio, en la zona del proyecto, se estima que vara desde unos 4.0 mm /da en la cuenca alta del ro Llaucn hasta unos 5.2 mm/da en el punto ms bajo (localidad del puente proyectado sobre el ro Maran).En consecuencia, de acuerdo a los ndices climticos promedio antes descritos y teniendo en cuenta el criterio de clasificacin climtica de Thornwaite, el clima promedio de la zona del proyecto puede considerarse que vara desde un seco-muy fro en la cabecera de la cuenca del ro Llaucano hasta un semihmedo clido en el punto ms bajo (puente proyectado sobre el ro Maran) del tramo final del proyecto.

Informacin Climtica EspecficaInformacin HidrometeorolgicaLa reducida rea drenable de las aguas pluviales con influencia en los tramos de carretera en estudio, condiciona a que se tenga que recurrir a metodologas que usen intensidades mximas de precitacin como variable de diseo. Sin embargo, esta clase de informacin, que se registra en Pluvigrafos (bandas pluviogrficas), es escasa, y no existe en la zona del proyecto ni en cuencas vecinas de la regin, tenindose que transferir desde Estaciones ms prximas como es la Estacin Weberbauer ubicada en la ciudad universitaria de la Universidad Nacional de Cajamarca del distrito y provincia de Cajamarca; para lo cual se requiere usar criterios de transferencia de informacin desde localidades o regiones de un mismo sistema hidrolgico, a partir del anlisis de variables regionales y de parmetros geomorfolgicos ms representativos o de mayor relevancia.

En consecuencia, la informacin pluviogrfica, para el presente estudio, est constituida por registros de 30 aos de informacin de intensidades mximas de precipitacin de la Estacin Pluviomtrica Weberbauer, ubicada en la ciudad Universitaria de la Universidad Nacional de Cajamarca, en el distrito y provincia de Cajamarca; cuya informacin ser transferida a la zona del proyecto mediante el criterio de cantidad de agua precipitable.La transferencia de informacin de intensidades mximas de precipitacin, desde la Estacin Weberbauer hacia la zona de estudio-considerando la localidad ms crtica - determina un Coeficiente de Transferencia por cantidad de agua precipitadle correspondiente a la altitud ms crtica del rea de estudio (4 000 m.s.n.m), cuya pluviosidad se determina mediante anlisis regional. El cuadro N 02, muestra los resultados del anlisis regional para la localidad de estudio, cuyo mdulo pluviomtrico ser tenido en cuenta para el estudio hidrolgico de todo el tramo de carretera en estudio, por tratarse del valor ms crtico de dicha variable.Cuadro N 02. ESTACIONES CLIMATOLGICAS

ESTACINUBICACINCOORDENADASALTITUD

(m.s.n.m.)PLUVIOSIDAD

(mm/ ao)OBSERVACIONES

PROV.DPTO.LONG.LAT.

WeberbawerCajamarcaCajamarcaW 78 30S 07 102 536625Tipo PLU

BambamarcaLlaucnCajamarcaW 78 37S 06 4640001 100 *Tipo CO

Estableciendo la relacin de Pluviosidades entre ambas localidades, se determina que el Factor de Transferencia por cantidad de agua precipitable es de 1.76. Procesamiento de Datos

a. Intensidades Mximas

Las intensidades mximas de la Estacin Pluviomtrica Weberbauer, se ajustaron al Modelo Probabilstico de Variable Extrema EV1 o de GUMBEL:

Donde:

F (x < X):Probabilidad acumulada de que cualquier

evento x ser menor que X

(:

Parmetro de escala.

(:

Parmetro de posicin.

Los parmetros del modelo, por el Mtodo de Momentos, se estiman mediante:

X = ( + 0.45005 S

( = 1.28255 / S

X : Media muestral.

S : Desviacin estndar muestral

Los Parmetros del Modelo, se determinan, para las intensidades mximas correspondientes a cada periodo de duracin, obtenindose los resultados que se muestran en el Cuadro N 03.Cuadro N 03. PARMETROS DEL MODELO EV1

DURACIN

(minutos)ESTADSTICOS MUESTRALESPARMETROS DEL MODELOPRUEBA DE AJUSTE

XS((

576.8619.710.06507065.9895Kolmogorov

1057.0612.680.10114751.3534Kolmogorov

3029.916.560.19551026.9577Kolmogorov

6017.664.260.30106815.7428Kolmogorov

12010.092.560.5009968.9379Kolmogorov

Para realizar la prueba de Kolmogorov, la Probabilidad Observada se obtuvo utilizando el criterio emprico de Weibull:

Donde:

P (x >X):Probabilidad Observada acumulada de que,

Cualquier evento x ser mayor que le evento X.

m:

Nmero de orden de la sucesin decreciente.

n:

Tamao o longitud de la muestra.

La probabilidad simulada, se obtuvo a partir del Modelo EV1.El estadstico de Kolmogorov, al 95% de confianza, arroja un valor de 0.286. La desviacin mxima absoluta entre la probabilidad simulada y la observada es de 0.146. De la comparacin de ambos valores, se concluye que, existe un excelente ajuste de las intensidades mximas de la Estacin Weberbauer al Modelo Probabilstico EV1.

Teniendo en cuenta que la inversa del primer miembro de la ecuacin (1) representa el Tiempo de Retorno (Tr) y despejando la variable x de dicha ecuacin, se obtiene la ecuacin (3):

Donde.

Tr:Tiempo de retorno, en aos.

J:Incertidumbre o probabilidad de fallar en la

Prediccin, en un nmero n de aos consecutivos.

Mediante la aplicacin de las ecuaciones (3) y (4), teniendo en cuenta los valores de los parmetros del Cuadro N 03, se determinaron los valores de las intensidades mximas de diseo mostradas en el Cuadro N 04.b. PluviometraLos resultados del anlisis regional proporcionan una informacin pluviomtrica generada para la localidad ms crtica del proyecto (4000 msnm), consistente en un mdulo pluviomtrico promedio de aproximadamente 1100 mm/ao.El anlisis regional de 12 Estaciones Pluviomtricas ubicadas en las cabeceras de las cuencas vecinas de los ros Jequetepeque y Cajamarquino de las vertientes del Pacfico y Atlntico, respectivamente, ha dado origen a la funcin de transferencia que representa la ecuacin (5).

(5)P= Mdulo pluviomtrico anual (mm)

Z= Altura sobre el nivel del mar (m) Informacin CartogrficaLa informacin cartogrfica de la zona del proyecto est constituida por Mapas Cartogrficos, a escala 1/100 000, del Instituto Geogrfico Nacional, Hoja 14f-Chota; Hoja 14g - Celendn; Hoja 13g - Lonya Grande; Hoja 13f Cutervo y Hoja 12f - Jaen. La informacin hidrolgica generada para la localidad del estudio, corresponde a la zona ms crtica en lo referente a frecuencia e intensidad de precipitaciones, la misma que se utilizar para todo el tramo existente y nuevo del estudio. Esta informacin se complementar con los resultados del procesamiento de la informacin cartogrfica, lo cual permitir hacer una inferencia a cerca del comportamiento hidrolgico de las reas drenables como respuesta a eventos pluviomtricos crticos de la zona. Procesamiento de Informacin Cartogrfica

Se han identificado y delimitado las cuencas de influencia del tramo existente, siendo las ms relevantes la cuenca del ro Llaucano y la subcuenca del ro Chontas. En cambio, las unidades hidrolgicas que ms destacan en el tramo nuevo de apertura son las microcuencas de las quebradas Ayanjanga, Cajamarca, San Jos y Sauce. El procesamiento de la informacin cartogrfica ha permitido determinar los parmetros geomorfolgicos de los cuadros correspondientes a cada unidad hidrolgica investigada y descritas lneas abajo. Descripcin Hidrogrfica de reas ColectorasEn general, la topografa del rea drenable del proyecto se caracteriza por tener unidades hidrolgicas de relieve abrupto e irregular, con relieves que varan desde muy fuertes a escarpadas; tal como se describe brevemente a continuacin. Las cuencas han sido definidas con respecto al punto de interseccin con el eje de la va existente y la probable geometra del tramo nuevo. Subcuenca del Ro ChontasEste ro corta a la va de estudio existente entre las localidades de Huangamarca y La Paccha, extendindose entre las cotas de, aproximadamente, 2 000 y 3 400 m.s.n.m, haciendo un total de 13950 Ha; siendo su recorrido del cauce principal de NE-SO, hasta su desembocadura en ro Llaucano.

Tiene una topografa irregular y abrupta, con relieve muy fuerte (pendiente de laderas 40.7%), que la hacen vulnerable a la degradacin hdrica (Coeficiente Orogrfico 7.05%).

Cuadro N 06. PARMETROS GEOMORFOLGICOS

Subcuenca del Ro Chontas

NPARMETRO GEOMORFOLGICOVALOR UNIDADONBSERVACIONES

1rea proyectada139.50Km2

2Permetro de la cuenca48.20Km.

3Longitud de mximo recorrido18.90Km.

4Longitud al centroide10.80Km.

5Altitud media2900m.s.n.m.

6Pendiente del mximo recorrido7.4%

7Pendiente de laderas40.7%P6: Relieve muy fuerte

8Tiempo de concentracin220minuto

9Coeficiente de compacidad1.14Adim.Kc2: Casi redonda Avenidas abruptas

10Coeficiente orogrfico7.05%Alto poder degradante

11Ancho promedio7.38Km.

12Factor de forma0.39Adim.

13Potencial degradante2.25Tn/Ha*aod3: Erosin media

14Factor de entrega0.12Adim.

15Degradacin neta0.27Tn/Ha*ao

16Orientacin de la cuencaNE SOEntrega al ro Llaucano

17Nmero de orden03Adim.

18Relacin de confluencias3.5Adim.

19Relacin de longitudes5.2Adim.Alto almacenamiento momentneo

20Densidad de drenaje0.40Km/Km2

En cuanto a la geometra, su Coeficiente de Compacidad (1.14) lo tipifica como una Kc1- casi redonda, con gastos picos instantneos altamente bruscos y recesiones muy rpidas, de mayor intensidad que la cuenca anterior.

3. HIDROLOGA DEL SISTEMA DE DRENAJELa hidrologa del drenaje de carreteras comprende el sistema interceptor de flujos laterales (cunetas y canales de coronacin) y el sistema transversal (alcantarillas, puentes, pontones, badenes). En el caso del presente estudio, el sistema de drenaje est conformado por cunetas, alcantarillas, badenes, puentes y pontones.Tanto las cunetas como los canales de coronacin, constituyen las estructuras laterales de intercepcin ms importantes del sistema de drenaje; pues su funcin es captar las aguas de escorrenta, conducirlas y entregarlas al sistema transversal de drenaje.

3.1. Intensidades de Diseo para Obras de ArteTeniendo en cuenta la categora del camino, la seguridad y la economa del proyecto, las intensidades mximas de diseo, para el tramo en consideracin, se seleccionan de acuerdo a las condiciones y criterios siguientes:Del cuadro N 04 de intensidades mximas, seleccionamos el evento de diseo con una incertidumbre del 15% en un periodo 10 aos consecutivos (60 aos de tiempo de retorno). Luego, considerando que se estima en 70 minutos el tiempo de concentracin de la microcuenca de estudio y el Factor de Transferencia de 1.79, se concluye que la intensidad mxima de diseo de cunetas y dems obras de arte menores es de aproximadamente 50 mm/h.3.2. Mxima Escorrenta DirectaLos gastos mximos de escorrenta directa sern estimados mediante el Mtodo Racional de la ecuacin (6).Q Max = Gasto mximo de escorrenta directa, m3/s.

I

=Intensidad mxima de diseo, mm/h

A

=rea colectora, Ha

C

=Coeficiente de escorrenta directaMediante la aplicacin de la ecuacin (6) se han determinado las descargas mximas del cuadro N 11.

Cuadro N 11. DESCARGAS MXIMAS DE ESCORRENTA DIRECTA CUENCAS DE INFLUENCIA DEL PROYECTO

NCUENCAN

(Aos)J

(%)Tr

(Aos)Tc

(Minuto)I

(mm/Hora)CA

(Ha)Q

(m3/seg)

01Ro Llaucano251515442560.2087,280290.9

02Ro Chontas2515154220120.2013.95093.3

03Qda. Ayanjanga2515154132190.402,53053.4

04Qda. Cajamarca251515485230.401,03036.3

05Qda. San Jos251515498200.402.02044.9

06Qda. Sauce2515154143180.406,490129.8

N= Nmero de aos consecutivos

J= Incertidumbre o probabilidad de desacierto

Tr= Tiempo de retorno

Tc= Tiempo de concentracin

I= Intensidad de precipitacin

C= Coeficiente de escorrenta

A= rea proyectada de la cuenca

Q= Gasto mximo de escorrenta directa

Degradacin de la Cuenca y Trasporte de SedimentosEl relieve escarpado de las reas colectoras, topografa accidentada, cobertura vegetal, alta pluviosidad (1100 mm/ao) e intensas precipitaciones, hace prever una importante capacidad erosiva del rea drenable del proyecto, con predominio de material de suspensin.

a. Prdida de Suelo

La degradacin de la cuenca se debe, generalmente, a la erosin hdrica y al transporte de slidos por la escorrenta directa. El potencial erosivo tiene relacin directa con la pendiente de la cuenca y el grado de pluviosidad, esta relacin puede expresarse mediante la ecuacin (6). Dada la importancia de esta ecuacin, se define a continuacin las variables y parmetros involucrados.

Degradacin: Prdida de suelo del rea tributaria.

Mdulo Pluviomtrico: Lmina de precipitacin total anual promedio.

Coeficiente Orogrfico: Parmetro adimensional que explica el potencial erosivo.

Factor de Entrega: No todo el material removido o erosionado abandona el sistema hidrolgico, junto con el agua de escorrenta, sino, que parte del material slido vuelve a sedimentarse en las depresiones y reas bajas de menor pendiente de la misma cuenca. El coeficiente por el que hay que multiplicar la degradacin potencial, para obtener la cantidad neta de slidos que abandona el sistema se llama Factor de Entrega, es siempre menor que la unidad y depende del tamao del rea receptora-colectora. Aumenta al disminuir el rea y viceversa.Co =H2 /A

S:Degradacin especfica, Tn./Ha x ao

Pm : Precipitacin del mes de Mxima pluviosidad, mm

P : Mdulo pluviomtrico, mm

Co : Coeficiente orogrfico, %

H:Altitud media del rea colectora

A:rea colectora

b.Transporte de Sedimentos

El transporte de sedimentos ha sido estimado con las caractersticas de cada sistema hidrolgico estudiado dentro del rea de influencia del proyecto. Mediante la aplicacin de la ecuacin (7), se ha estimado la erosin y transporte de sedimentos del cuadro N 12.

Cuadro N 12. EROSIN Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

NCUENCArea

(Ha)fDegradacin (Tn/Ha. Ao)Degradacin Total Neta (Tn/ao)

PotencialNetaSuspensin 75 %Arrastre 25 %

01Ro Llaucano872800.082.410.20130924364

02Ro Chontas139500.122.250.272825942

03Qda. Ayanjanga25300.182.610.47892297

04Qda. Cajamarca10300.252.560.64494165

05Qda. San Jos20200.202.070.41621207

06Qda. Sauce64900.151.180.18876292

f:Factor de entrega

4. HIDRULICA DEL DRENAJE SUPERFICIALUno de los aspectos ms importantes en la hidrulica del drenaje transversal (puentes, pontones, alcantarillas, badenes) es, sin lugar a dudas, la modificacin que puede sufrir la seccin transversal de un cauce natural, debido a la presencia de las estructuras de paso, tanto en su geometra como en sus dimensiones transversales. Es de hacer hincapi que, en lo posible, la seccin transversal del cauce no debe ser alterada, sobre todo en sus dimensiones naturales, pues los ensanchamientos o estrechamientos modifican completamente el patrn de flujo, cuya distorsin provoca sedimentacin o erosin localizada y por lo tanto, daos debido a inundaciones o por socavamiento.La ecuacin general de la hidrulica, para flujo a superficie libre, para cualquier estructura hidrulica de conduccin por gravedad es la ecuacin de Maning (7).

(8)Donde:

Q= Caudal de conduccin

A= rea hidrulica

R = Radio hidrulico

S = Gradiente hidrulican = Coeficiente de Maning

La longitud del colchn amortiguador de salida, para alcantarillas y badenes, con descarga suspendida, se puede estimar mediante la ecuacin (9).

(9)Donde:

L = Longitud del colchn

Vo = Velocidad de descarga

g= Atraccin gravitacional

h = Salto hidrulico o altura efectiva de cada

4.1. Hidrulica de Cunetas

Las cunetas se han diseado con un ngulo de reposo de taludes muy superior al ngulo de reposo del suelo en estado saturado, sin revestimiento, con caudales equivalentes al 60% del flujo drenable total; puesto que el 60%, aproximadamente, lo constituye la escorrenta directa concentrada en las depresiones o cauces menores establecidos.

Teniendo en cuenta la topografa y relieve del terreno, la longitud mxima de desage de las cunetas ha sido fijada en 300 m, en promedio. Con este valor, el gasto especfico estimado en 0.64 l/sxm, teniendo en cuenta que slo aproximadamente el 30% del agua discurre hacia las cunetas y el resto 70% es flujo concentrado hacia las depresiones, se determina que el gasto de diseo crtico de las cunetas para este proyecto es de 192 L/s, aproximadamente. Mediante la aplicacin de la ecuacin de Maning (8), se tiene:

Datos:

Caudal

=0.192 m3/s

Talud

=1.00 (terrenos arcillosos)

Rugosidad

=0.025 (tierra condiciones normales)

Ancho solera

=0.00 m (seccin triangular)

Pendiente

=0.03 (ms desfavorable)

Resultados:

Tirante normal=0.3380 m

Permetro mojado=09560 m

rea hidrulica=0.1145 m2Radio hidrulico=0.1195 m

Pelo de agua

=0.6760 m

Velocidad

=1.6800 m/s

Nmero de Froude=1.3054 (flujo supercrtico)

Energa especfica=0.4820 m

C.R. 0.70m

1 0.40m ZSeccin tpica Z = variable4.2. Hidrulica de AlcantarillasEn general, la geometra de la seccin transversal de las alcantarillas proyectadas ser de forma circular; metlicas ARMCO, del tipo TMC.

Habr dos clases de alcantarillas, de acuerdo con su ubicacin, las que obligadamente se sitan en las depresiones topogrficas o cauces naturales establecidos y las aliviadoras de cunetas que se ubican en puntos sin cauces establecidos. Ambas, se dimensionan con los gastos mximos de escorrenta obtenidos en el estudio hidrolgico.

a.Alcantarillas ubicadas en depresiones o cauces establecidosEste tipo de alcantarillas, se proyectar con capacidad para evacuar rpidamente las descargas mximas concentradas en cada depresin correspondiente, ms el gasto de entrega de la cuneta o de las cunetas cuando exista contra pendiente con confluencia en el mismo cauce.

Las alcantarillas metlicas, de seccin circular, sern tipo TMC (ARMCO, Coeficiente de Maning 0.035), con capacidad que permita evacuar el gasto lquido mximo obtenido del estudio hidrolgico, ms el gasto slido de arrastre. Se verificar que el diseo, en lo posible, satisfaga la velocidad crtica de arrastre (1.5 m/s) a fin de controlar la sedimentacin y colmatacin. Los resultados del clculo hidrulico, mediante la aplicacin de la ecuacin (8), se muestran en el Cuadro N 13.

b. Alcantarillas ubicadas en puntos sin cauces establecidos (Aliviadoras de cunetas)

Este tipo de alcantarillas se sitan, necesariamente, en tramos en contra pendiente, y en otros casos, cuando la distancia entre alcantarillas de depresiones sea muy grande, pudiendo en este caso la cuneta exceder su capacidad de conduccin y desbordar, deteriorando la va. En este ltimo caso, se ha previsto colocar alcantarillas intermedias, cuando la distancia entre 2 alcantarillas de depresin consecutivas exceda los 300 m. La ubicacin de este tipo de alcantarillas deber hacerse con criterio tcnico con el afn de no provocar cambios negativos debido a fenmenos erosivos y/o evitar daos a la propiedad privada. Cuando la evacuacin no se realiza hacia reas de pendiente moderada y geolgicamente estables, pronto aparecen crcavas que van progresando con el tiempo, erosionando y arrastrando masas de suelo cada vez ms grandes, hasta el punto de deteriorar y desestabilizar la propia va. La ubicacin de este tipo de alcantarillas en relieves fuertes y escarpados, en zonas de alta pluviosidad, provoca serios problemas de impacto ambiental negativo, destruyendo el suelo y el paisaje y a veces daando importantes reas agrcolas. Cuando la evacuacin tiene que realizarse inevitablemente hacia reas vulnerables a la erosin, se recomienda que el agua sea conducida hasta los cauces naturales ms prximos, ya sea mediante canales revestidos, dotados con sistemas de disipacin de energa, o mediante tuberas; pero ello naturalmente implica incrementar los costos del proyecto, incrementos que habra que compatibilizar con los costos del impacto ambiental negativo y daos a la propiedad.La prctica actual de la Ingeniera de Carreteras, en el afn de reducir los costos a un mnimo valor, se mezquina mucho el sistema de drenaje y la estabilidad de taludes en corte de laderas y, a la larga, el proyecto resulta siendo muchsimo ms costoso por la frecuencia con que se realiza el mantenimiento.

Al igual que las alcantarillas en depresiones, stas tendrn se disearn con capacidad de conduccin que permita evacuar rpidamente el gasto lquido, previsto en el estudio hidrolgico, ms los slidos de arrastre y de suspensin. En caso de cunetas en contra pendiente, la alcantarilla ser capaz de evacuar las descargas, tanto del gasto lquido como de slidos, que provienen de ambos lados de la cuneta.

Los resultados del diseo hidrulico de este tipo de alcantarillas, mediante la aplicacin de la ecuacin de Manning (8), se presentan en el Cuadro N 13. A modo de ejemplo mostramos el clculo hidrulico de la alcantarilla signada con el N 22 del cuadro N 13.Datos de entrada:

Caudal de diseo: 0.450 m3/sRugosidad de Manning: 0.035 (metlicas tipo ARMCO)Dimetro: 0.9144 m (dimetro comercial: 36)Datos de salida:

rea hidrulica: 0.2629 m2Permetro mojado: 1.2919 mTirante normal: 0.3853 mPelo de agua: 0.9030 mVelocidad media: 1.7119 m/sNmero de Froude: 1.0131Energa Especfica: 0.5347 mxKg/KgComo se aprecia, en el valor del Nmero de Froude (1.0131), el flujo se aproxima al estado crtico, por lo cual todas las alcantarillas diseadas bajo este criterio tendrn un ptimo funcionamiento y, frecuentemente permanecern limpias por cuanto la velocidad media se ha tratado de mantener por encima de la velocidad crtica de arrastre estimada en 1.50 m/s.c. Hidrulica de BadenesLos badenes proyectados sern de concreto con calidad aceptable como para no erosionar con las velocidades de arrastre de material slido del tamao y peso previstos.Estas estructuras se dimensionarn con capacidad suficiente como para evacuar, tanto el gasto mximo de escorrenta as como los slidos de arrastre, en situaciones ms crticas. La velocidad crtica, para el arrastre de slidos de hasta un tamao de 5 pulgadas, se estima que es mayor 1.5 m/s, por lo que en el diseo hidrulico se ha tenido sumo cuidado en verificar tal condicin.

Los resultados de los clculos hidrulicos, mediante la aplicacin de la ecuacin de Manning (8), se presentan en el Cuadro N 13. Como ejemplo, mostramos el clculo hidrulico del badn signado con el N 32 del cuadro N 13.Datos de entrada:

Caudal: 3.50 m3/s

Pelo de agua: 11.60 m

Rugosidad de de Manning: 0.045 (fondo pedregoso)Pendiente: 0.020

Datos de salida:

rea hidrulica: 1.3947 m2

Permetro mojado: 7.7256 mTirante normal: 0.2717 m

Pelo de agua: 7.7000 mVelocidad: 2.5096 m/s

Nmero de Froude: 1.8827 (flujo supercrtico)Energa especfica: 0.5927mkKg/kg

El criterio de disear badenes con flujos supercrticos garantiza a que el material de arrastre no quede retenido en ellos; pero sin embargo, la alta velocidad erosiva exige buena calidad del concreto que dure por lo menos el tiempo de vida econmica del proyecto.

4.3. Hidrulica Fluvial (Ros y quebradas)Las obras hidrulicas de drenaje transversal no deben alterar el ancho y pendiente de los cauces naturales, pues toda modificacin trae consigo la alteracin del patrn de flujo causantes de los fenmenos de sedimentacin y erosin, y muchas veces el colapso de las estructuras.Como ejemplo de aplicacin, efectuamos el clculo hidrulico del Puente sobre el ro Llaucano signado con N 79 del cuadro N 13.

Datos de entrada:

Caudal de avenida de diseo: 290.90 m3/s

Ancho de solera: 14.20 m (luz libre del puente)

Talud: 0. 00 (seccin rectangular)

Rugosidad de Manning: 0.050 (fondo pedregoso)

Pendiente: 0.03

Datos de salida:

rea hidrulica: 48.2305 m2

Permetro mojado: 20.9930 m

Tirante normal: 3.3965 m

Pelo de agua: 14.2000 m

Velocidad media: 6.0315 m/s

Nmero de Froude: 1.0449 (flujo supercrtico)

Energa especfica: 5.2507 mxKg/Kg.Como se aprecia en los resultados, el tirante normal de aproximadamente 3.40 m, est muy por debajo de la altura del puente que es alrededor de 7.0 m; sin embargo existe una alta velocidad erosiva. Esta condicin lo cumplen todos los pontones y puentes evaluados hidrulicamente.Puente proyectado sobre el ro Maran:El eje del puente ha sido fijado con las coordenadas UTM de los puntos extremos que se indican:

Punto margen izquierda: 9262053 (N)

774604 (E) Altitud: 514 m.s.n.m (espejo de aguas libres)

Punto margen derecha: 932572 (N) 776972(E) Altitud: 514 m.s.n.m (espejo de aguas libres)

Las caractersticas hidrulicas medidas o estimadas en el eje del puente sobre el ro Maran son las indicadas lneas abajo.

rea hidrulica: 577.74 m2Pelo de agua: 70 m Tirante medio: 8.25 mVelocidad promedio: 1.80 m/sCaudal aforado: 1040 m3/s (30-11-2008, hora 10.30 horas)Pendiente del cauce: 6%

Con lo cual, mediante la aplicacin de la ecuacin de Maning, se obtienen los parmetros hidrulicos de la seccin que se indican:Datos de entrada.

Caudal: 1040 m3/s

Pendiente: 0.06

Talud: 0.00 (seccin aproximadamente rectangular)

Rugosidad de Maning: 0.080 (fondo pedregoso)Datos de salida:Tirante normal: 2.8102 m

rea hidrulica: 196.715 m2

Permetro mojado: 75.6204 m

Radio hidrulico: 2.6014 m

Pelo de agua: 70.000 m

Velocidad promedio: 5.2868 m/s

Nmero de Froude: 1.0069 (flujo supercrtico)

Energa especfica: 4.2348 kgxm/kg

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES5.1. Conclusiones El gasto especfico de diseo del sistema de drenaje lateral (cunetas), es de 0.64 L/s*m.

La intensidad mxima para reas que drenan hacia cunetas y hacia otras obras de arte menores (alcantarillas y pontones), para en tiempo de concentracin promedio de 30 minutos, se ha determinado que es de 84 mm/h.

La degradacin neta promedio de las cuencas del rea de estudio vara entre 0.18 hasta 0.64 Tn./Ha x ao y, por las caractersticas de de las unidades hidrolgicas estudiadas, se estima que el 75% constituye material en suspensin y el 25% restante est conformado por slidos de arrastre.

La longitud mxima entre alcantarillas aliviadoras no deber exceder a 300 m en promedio.

En general, las estructuras de drenaje proyectadas en el presente estudio, han sido diseadas con velocidades mayores que la velocidad crtica de arrastre (1.5 m/s) del material slido.

5.2. Recomendaciones Forestacin, con especies vegetales adecuadas, de las reas crticas desprotegidas para el control de la erosin a mediano y largo plazo.

Las alcantarillas o drenes transversales ubicados en puntos donde no existan cauces establecidos, debern drenar hacia sitios poco vulnerables a la erosin, para evitar no slo la desestabilizacin de las estructuras, sino tambin para reducir a un mnimo valor el impacto ambiental negativo.

Los taludes, en zonas de corte, debern tener como mnimo el ngulo de reposo del suelo en estado saturado, para garantizar la estabilidad de los mismos. Con ello se evita problemas de degradacin e incrementos sustanciales en los costos de mantenimiento.

En lo posible, las cunetas deben descargar a las alcantarillas o drenes transversales, de no ser as, debern hacerlo hacia los cursos naturales ms prximos o hacia zonas previamente seleccionadas por su baja vulnerabilidad a la erosin. Esto ocurre frecuentemente en los tramos en curva.

En las zonas de corte en laderas, la banqueta debe tener una inclinacin transversal suficiente (3%), como para drenar el agua hacia la cuneta y evitar la erosin en el talud opuesto. Esta misma pendiente se recomienda para el bombeo (3%).1. PRECIPITACIN.

Tabla 1 REGISTROS HISTRICOS DE PRECIPITACIN TOTAL MENSUAL (MM) DE LA ESTACIN AUGUSTO WEBERBAUER

AOENEFEBMARABRMAYJUNJULAGOSEPOCTNOVDICANUAL

196549.170.891.078.110.40.06.20.048.283.666.067.8571.2

196662.545.954.547.940.00.00.00.713.176.862.718.7422.8

1967120.9139.5109.132.344.110.328.45.824.9101.017.836.7670.8

196858.081.067.726.614.91.61.616.250.066.454.670.8509.4

196942.073.763.585.71.519.60.39.418.484.7106.4162.0667.2

197071.041.879.954.533.819.93.22.518.2103.051.454.1533.3

197158.497.8275.754.78.012.217.617.228.189.845.866.5771.8

197255.587.8113.876.816.14.43.420.659.631.466.550.2586.1

197395.370.792.5101.623.728.78.419.391.067.065.575.0738.7

197461.6140.089.158.04.617.36.527.638.770.755.176.8646.0

197595.6156.5202.068.866.810.07.219.345.180.265.10.9817.5

1976130.462.981.334.543.023.00.14.412.332.271.644.4540.1

1977129.9146.4141.942.625.58.07.50.116.153.454.868.2694.4

197812.734.448.837.065.63.94.43.825.024.454.044.8358.8

197984.181.6159.737.116.31.87.515.733.624.426.346.6534.7

198034.942.465.029.36.915.13.26.72.9130.4111.0106.7554.5

198178.2186.5105.733.714.76.67.212.122.0111.945.6111.3735.5

198271.7102.975.788.738.27.82.16.643.9124.867.387.4717.1

1983116.675.7152.8105.731.110.19.62.719.286.928.1118.4756.9

198424.7233.6123.880.069.525.123.418.736.768.697.6104.1905.8

198524.642.437.241.953.00.44.818.337.350.023.940.3374.1

198684.447.796.8120.216.20.61.214.61.343.666.251.8544.6

198798.295.239.252.29.14.010.812.339.537.274.361.5533.5

1988109.7105.544.895.610.65.40.00.432.869.265.263.4602.6

198987.0158.8113.585.418.816.73.25.953.5106.647.12.7699.2

1990101.068.558.327.429.524.60.87.120.187.699.172.3596.3

199143.890.0133.755.219.70.70.40.310.228.255.171.9509.2

199252.631.866.646.518.921.24.610.040.864.032.031.4420.4

199361.0112.2245.0102.930.21.93.32.951.4106.371.484.1872.6

1994116.9103.1170.2144.935.33.30.00.211.827.289.8122.6825.3

199544.7108.375.749.720.61.713.210.811.551.850.576.4514.9

199665.2124.0120.150.413.70.80.515.813.976.268.634.1583.3

199763.8152.926.540.417.015.40.20.027.450.8111.9129.4635.7

1998103.0116.5257.083.919.84.81.34.717.879.629.147.9765.4

199994.8242.768.565.053.722.822.11.281.421.777.068.8819.7

200046.0162.3126.377.340.515.62.113.456.69.944.5122.3716.8

2001191.2100.8230.257.248.12.313.90.034.446.293.490.9908.6

200227.060.8133.177.223.08.810.73.414.690.3100.086.1635.0

200351.161.4103.642.130.722.31.810.614.846.063.880.7528.9

200436.1102.056.944.542.42.113.829.419.063.492.6123.7625.9

200584.953.7136.654.07.24.50.63.531.292.330.087.8586.3

200683.2101.6199.377.67.723.91.86.133.612.060.481.7688.9

200795.417.5182.4111.529.01.410.76.411.6118.997.668.8751.2

200880.2133.3118.499.122.715.42.311.734.796.572.234.4720.9

2009180.774.6110.578.842.217.912.33.911.878.5109.474.2794.8

201049.5112.9154.088.431.68.62.61.328.943.552.570.8644.6

201176.673.3125.2102.016.70.48.30.047.131.524.4109.7615.2

2012154.2134.7126.472.851.50.80.02.519.183.3120.358.3823.9

MEDIA78.399.2115.667.027.89.96.28.530.367.265.372.1647.3

DESV. ESTNDAR38.548.959.227.717.28.66.67.718.831.026.433.2133.9

MXIMO191.2242.7275.7144.969.528.728.429.491.0130.4120.3162.0908.6

MNIMO12.717.526.526.61.50001.39.917.80.9358.8

N DE DATOS48484848484848484848484848

2. PRECIPITACIN MEDIA ANUAL DEL PROYECTO

Para determinar la precipitacin media anual del proyecto se tiene en consideracin las precipitaciones existentes por ao del perodo de registro presentado en el captulo de precipitaciones, es decir, la precipitacin media anual Pa est representada por el promedio aritmtico de un grupo de precipitaciones anuales:

Nmero de datos de precipitaciones anuales (Na)

=(2012-1965+1) = 48

Sumatoria de precipitaciones anuales desde 1965 hasta 2012

=31,070.40 mm

Precipitacin media anual del proyecto = 31,070.40 / 48 = Pa = 647.30 mm.

3. ANLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIN METEOROLGICA

El anlisis y procesamiento se realiza teniendo en cuenta las siguientes definiciones y frmulas que nos ayuden a realizar el anlisis hidrolgico a travs de modelos estadsticos que permitan realizar la generacin de caudales confiables para la zona del proyecto.

FRECUENCIA DE PRECIPITACIN (F). Es el nmero de veces que se presenta una tormenta de determinada magnitud y duracin, en un perodo largo de tiempo, expresado comnmente en aos y se puede calcular por la frmula emprica, propuesta por Chegadayev.

Donde:m: Nmero de orden del evento ordenado en forma decreciente.

n:Nmero total de eventos (aos de observacin).

RIESGO DE FALLA (J). Representa el peligro o la probabilidad de que el gasto considerado para el diseo sea superado por otro evento de magnitudes mayores.

Si llamamos P a la probabilidad acumulada de que no ocurra tal evento, es decir, que la descarga considerada no sea igualada o superada por otra; entonces la probabilidad de que si ocurra dicho evento en N aos consecutivos, representa el riesgo de falla J y est dado por:

TIEMPO O PERODO DE RETORNO (Tr). Es el tiempo transcurrido para que un evento de magnitud dada se repita, en promedio. Se calcula por la siguiente ecuacin:

Tambin se expresa en funcin de la probabilidad P de no ocurrencia. La probabilidad de ocurrencia est dada por 1-P y el tiempo de retorno se expresa mediante:

;

Para el diseo de las diferentes obras de arte, es preciso conocer las magnitudes de los eventos que se presentan para diferentes perodos de retorno, segn la importancia del proyecto y los aos de vida til de cada estructura.

VIDA TIL (N). Se define como el tiempo ideal durante el cual las estructuras e instalaciones funcionan al 100% de eficiencia ya sea por su capacidad o por su resistencia; pasado dicho tiempo o perodo se debe realizar una ampliacin o un nuevo diseo. La vida til depende de diferentes factores como:

Durabilidad de las Instalaciones.

Facilidad de construccin y posibilidades de ampliacin o sustitucin.

Posibilidades de financiamiento.

Tendencia del crecimiento poblacional.

Rentabilidad

4. REGIONALIZACIN DE DATOS PLUVIOMTRICOS

La regionalizacin de datos se realiza para Cuencas sin Informacin Hidrometeorolgica; que representa el caso ms crtico y a la vez el ms frecuente en nuestro pas por lo que la solucin es utilizar un anlisis regional entre los parmetros geomorfolgicos de las cuencas ms cercanas que cuenten con informacin y los valores de escurrimientos en estudio en la cuenca sin informacin.

Para este caso la estacin se encuentra cerca de la zona del proyecto, cuya ubicacin est dentro de la cuenca general que contiene a la parte donde se desarrollar el proyecto, por lo que no se considera necesario la regionalizacin de datos pluviomtricos, ms aun tratndose de un rea considerada urbana, pero por existir una diferencia de altitudes entra la estacin meteorolgica Weberbauer y la zona del proyecto de aproximadamente 244 m tomando como referencia una altitud media de 2780 msnm para la zona del proyecto, es que ms adelante se proceder a la regionalizacin de datos para las intensidades mximas.

5. INTENSIDADES DE PRECIPITACIN

El parmetro fundamental para el dimensionamiento del drenaje superficial es la intensidad de la precipitacin, la cual vara de un punto a otro segn las condiciones geogrficas y meteorolgicas de la zona y vara en cada punto segn la duracin de la precipitacin. Se considera definida la intensidad de lluvia en un punto cuando se conozcan para cada periodo de recurrencia la variacin de la intensidad en funcin al tiempo de duracin de la precipitacin.

La intensidad es el volumen de agua precipitada en un periodo dado; Su clculo parte de las lecturas de los pluviogramas para de inmediato graficar el histograma que determina dicha intensidad.

Donde:

i : Intensidad en mm/h

P : Profundidad de lmina de lluvia

Td : Tiempo de duracin de la tormenta.

Para resolver racionalmente los problemas de drenaje es necesario determinar las intensidades mximas de lluvias en un intervalo de tiempo t igual al tiempo de concentracin de la cuenca, con una frecuencia determinada con un periodo de retorno, es decir que ocurre en promedio una vez cada cierto periodo de aos. Para lo cual hacemos uso del siguiente cuadro para determinar el nmero de aos a considerar como periodo de retorno para el caso de alcantarillas, teniendo en cuenta que este tramo de la carretera que comprende el proyecto pertenece a una ciudad urbana, por lo que el rango considerado en esta tabla contiene al valor escogido como tiempo de retorno modelado para las alcantarillas.

CUADRO N 03: CRITERIO DE DISEO GENERALIZADOS PARA ESTRUCTURAS DE CONTROL DE AGUA.

TIPO DE ESTRUCTURAPERIODO DE RETORNO(aos)

Alcantarillas de Carreteras Volmenes de Trfico bajos.

Volmenes de Trfico intermedios.

Volmenes de Trfico altos.

Puentes de Carreteras Sistema Primario

Sistema Secundario

Drenaje Agrcola Canales

Surcos

Drenaje Urbano Alcantarillas en ciudades pequeas

Alcantarillas en ciudades grandes

Aeropuertos Volmenes de Trfico bajos.

Volmenes de Trfico intermedios.

Volmenes de Trfico altos. Canales

Diques En fincas

Alrededor de ciudades 5-10

10-25

50-100

10-50

50-100

5-50

5-50

2-25

25-50

5-10

10-25

50-100

2-50

50-200

Fuente: Hidrolgica Aplicada de Ven Te Chow.Por otra parte, tambin se dispuso de informacin de precipitacin mxima 24 horas en la estacin Weberbauer, para los aos 1966 al 2004. La serie anual y parcial para cada estacin pluviomtrica se presenta en los siguientes cuadros:

CUADRO N 04: PRECIPITACIONES MXIMAS DE 24 HORAS (MM).NAOPRECIPITACIN MX. 24 HRS (MM)

1196616.4

2196723.4

3196829.5

4196926.0

5197027.0

6197129.6

7197225.2

8197322.9

9197420.0

10197537.7

11197636.5

12197740.5

13197818.1

14197928.0

15198028.8

16198139.3

17198230.5

18198329.8

19198427.6

20198519.8

21198627.4

22198724.3

23198818.2

24198930.0

25199025.4

26199129.7

27199217.7

28199322.5

29199428.5

30199520.6

31199635.1

32199727.6

33199831.7

34199938.8

35200036.1

36200128.2

37200222.3

38200330.0

39200428.1

Fuente: Estacin Weberbauer

MEDIA27.7

DESV. ESTNDAR6.3

MXIMO40.5

MNIMO16.4

N DE DATOS39.0

6. OBTENCIN DE INTENSIDADES MXIMAS

INFORMACIN PLUVIOMTRICA

La informacin de intensidades mximas recopiladas para el presente estudio consisti en los siguientes registros obtenidos de la estacin Weberbauer, la cual est para diferentes perodos de tiempo:

De los datos de intensidades se obtienen los parmetros y para el modelo a partir de la media muestral estimada y la desviacin estndar, parmetros necesarios para determinar la funcin de la probabilidad y valor extremo para la distribucin tipo I de Gumbel del anlisis hidrolgico.

7. RELACIONES INTENSIDADES DURACIN - FRECUENCIA

A partir de las intensidades escogidas elaboramos la curva modelada de intensidades duracin - frecuencia, que nos va a permitir estimar la intensidad mxima para los tiempos de concentracin de las diferentes reas de influencia de la estructura hidrulica a disear.CUADRO N 07: SIMULACIN DE INTENSIDADES MXIMAS MODELO TIPO I DE GUMBEL

INTENSIDADES

VIDA TILRIESGO DE TIEMPO DE

AOSFALLARETORNO

"N"J (%)Tr (AOS)

5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN

52247.991919145.525951105.53176657.618639635.083487822.3632483

597.9794836132.21533196.214331652.32464331.755832720.0851471

1047.9578639121.93207589.016052448.234711629.185018718.3251766

2517.8850919107.58253278.971372442.52750725.59763315.8692646

3014.5243103104.51154876.821683541.306092924.829886915.3436683

4010.296588299.380070173.22964939.265164223.547017514.4654203

507.7250239695.01986970.177508337.530993422.456967313.7191756

704.6729645787.132159364.656111534.393836120.485039812.3692009

902.7097138677.86922158.172054730.709712918.169305210.7838569

102495.483333155.428054112.46323861.556975937.559013424.0579847

5195.457685142.117433103.14580356.262979234.231358421.7798835

1095.4130938131.83417795.947524252.173047831.660544420.019913

2535.2629923117.48463585.902844246.465843328.073158617.564001

3028.5397047114.4136583.753155345.244429127.305412617.0384047

4020.0804086109.28217380.161120943.203500526.022543216.1601567

5014.9327262104.92197277.108980141.469329624.932492915.413912

708.8158661397.034261971.587583338.332172422.960565514.0639372

904.8621160987.771323565.103526534.648049120.644830912.4785933

3021485.44955171.122515123.4493667.799091141.482628726.7440783

5585.371915157.811895114.13192662.505094538.154973724.4659771

10285.23694147.528639106.93364758.415163135.584159722.7060066

25104.782584133.17909696.888967152.707958631.996773920.2500946

3084.6111883130.10811294.739278151.486544431.229027919.7244983

4059.2298746124.97663491.147243749.445615829.946158518.8462503

5043.7827766120.61643388.09510347.711444928.856108218.1000056

7025.4208506112.72872382.573706244.574287626.884180816.7500309

9013.5352299103.46578576.089649440.890164424.568446215.1646869

CUADRO N 08: MODELAMIENTO DE INTENSIDADES (CUNETAS N = 5 AOS Y J = 50%)

VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

5507.7395.02070.17837.53122.45713.719

GRAFICO N( 02: CURVA MODELADA PARA CUNETAS

GRAFICO N( 03: CURVA MODELADA PARA ALCANTARILLAS

VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

105014.93104.9277.1141.4724.9315.41

8. ESCORRENTA

COEFICIENTE DE ESCORRENTA (Ce). Es la relacin entre el agua que escurre por la superficie del terreno y la total precipitada. Es difcil determinar su valor con exactitud, ya que vara segn la topografa, la permeabilidad, la vegetacin y la capacidad de almacenaje de agua que el suelo contenga.

Mtodos de Clculo

El coeficiente de escorrenta es la variable menos precisa, la seleccin apropiada del coeficiente de escorrenta requiere del conocimiento y experiencia por parte del profesional, la proporcin de lluvia total que alcanzarn los drenajes, dependen del porcentaje de permeabilidad de la pendiente y de las caractersticas de encharcamiento de la superficie. Las inspecciones de campo y fotografas areas son muy tiles en la estimacin de la naturaleza de la superficie dentro del rea de drenaje.

Para el clculo de este coeficiente se utilizan mtodos mediante tablas o empricos como el mtodo de Justin, pero para este caso de mejoramiento de carretera es que consideramos obtener el valor del Coeficiente de Escorrenta mediante las siguientes tablas en cuyas caractersticas se asemeja a la intervencin que tendr el proyecto, las que nos permiten obtener un valor teniendo en cuenta la naturaleza de la superficie y la pendiente de la topografa tal como se muestra en las siguientes tablas:CUADRO N 17: COEFICIENTE DE ESCORRENTA POR TIPO DE SUPERFICIE

TIPO DE SUPERFICIECe

Pavimento de concreto o bituminoso0.8 - 0.9

Caminos de grava abiertos0.4 - 0.6

Tierra desnuda0.2 - 0.8

Praderas de csped0.1 - 0.4

Campos cultivados0.2 - 0.4

reas de bosques0.1 - 0.2

Pavimento asfltico0.75 - 0.95

Pavimento de concreto asfltico0.70 - 0.90

Suelos impermeables0.40 - 0.65

Suelos ligeramente permeables0.15 - 0.40

Suelos moderadamente permeables0.05 - 0.20

CUADRO N 18: COEFICIENTE DE ESCORRENTA POR REA DRENADA

REA DRENADACe

rea residencial urbana solo casas habitacin0.30

Apartamentos con espacios verdes0.50

rea de edificios comerciales e industriales0.90

reas boscosas0.05 0.20

Parques, terrenos agrcolas y pastizales0.05 0.30

Asfalto o pavimento de concreto0.85

CUADRO N 19: COEFICIENTE DE ESCORRENTA NATURALEZA DE LA SUPERFICIE

Naturaleza de la superficiePendiente de la topografa

5% - 10%10% - 30%

Cultivos generales0.600.72

Cultivos de pastos0.360.42

Bosques 0.180.21

reas desnudas0.800.90

De las tablas se extrae el valor de Ce = 0.75, teniendo en cuenta que es un pavimento existente, asfalto, sin cultivos ni bosques y cuya pendiente del rea del proyecto es aproximadamente del 5% teniendo un desnivel entre el inicio (punto ms bajo) y el final (punto ms alto) de 130 m con una longitud promedio de 2660 m.

9. TIEMPO DE CONCENTRACIN

El tiempo de concentracin Tc llamado tambin tiempo de equilibrio o tiempo de viaje, es aquel tiempo que necesita el agua para escurrir desde el punto ms alejado aguas arriba de la cuenca hasta llegar a la estructura hidrulica.

Mtodos de Clculo

Los factores que determinan el tiempo de concentracin son la pendiente del terreno, caractersticas del suelo, la vegetacin, el estado de saturacin del suelo, algunos criterios usados frecuentemente para estimar el Tc de una cuenca son los que a continuacin se mencionan:

Frmula de Temez:

Donde:Tc:Tiempo de concentracin (hrs).

L:Longitud de mximo recorrido (Km).

S:Pendiente del mximo recorrido.

Otra relacin ms completa tenemos:

Donde:Tc:Tiempo de concentracin (hrs).

Lc:Longitud al centroide (Km).

S:Pendiente del mximo recorrido (adim).

C:Coeficiente que depende de la pendiente de la cuenca, vara entre 1.35 y 1.65, correspondiendo los valores ms bajos para pendientes ms altas y viceversa.

El trmino L*Lc, toma en cuenta el tamao y geometra de la cuenca.

10. COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO

Es importante conocer cules son los componentes del escurrimiento para elaborar cualquier estudio hidrolgico que involucre el caudal cursos de agua.

La importancia de la relacin entre estos fenmenos radica en que es normal que se carezca de suficientes datos de escurrimiento del sitio de inters, es decir, suelen abundar ms los registros de precipitacin. Dado que el flujo de un ro es afectado principalmente por las variaciones de la precipitacin, las relaciones lluvia - escurrimiento son una herramienta valiosa para suplir esta carencia de informacin, pues permiten determinar el escurrimiento utilizando las caractersticas de la cuenca y los datos de precipitacin. Es por ello que existen numerosos mtodos para relacionar la precipitacin en una cuenca con el escurrimiento de la misma.

Escurrimiento

El escurrimiento se define como el agua de precipitacin que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca. Segn el curso que sigue el agua despus de llegar a la superficie terrestre, el escurrimiento puede ser: subterrneo, sub superficial o superficial.Coeficiente de Escurrimiento

V. T. Chow (1994) defini el coeficiente de escurrimiento como la relacin entre el escurrimiento directo y la intensidad promedio de la precipitacin en una tormenta. Sin embargo, a causa de la variabilidad de la intensidad de precipitacin, este valor es difcil de determinar utilizando la informacin observada, por lo que tambin puede definirse como la relacin entre el volumen de escurrimiento directo y el volumen de precipitacin en la cuenca, en un periodo de tiempo dado.

Los valores tpicos para el coeficiente de escurrimiento C, estn indicados por varios cuadros y diferentes autores, pero cuyas caractersticas o descripcin de las zonas de estudio, los valores del escurrimiento son similares, a continuacin mostramos un cuadro que nos permite determinar los coeficientes de escurrimiento:

CUADRO N 20: VALORES DEL COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO

Descripcin del reaValor MnimoValor Mximo

reas comerciales

Centros comerciales urbanos0.700.95

Fraccionamientos comerciales0.500.70

reas residenciales

Viviendas0.300.50

Condominios Multifamiliares0.400.75

Zonas de departamentos0.500.70

reas verdes

Parques recreativos0.100.25

Campos de juego0.200.35

Tipos de vas terrestres

Calles asfaltadas0.700.95

Calles con pavimento de concreto0.800.95

Csped, suelos arenosos

Pendiente pequea 2%0.050.10

Pendiente grande 7%0.150.20

Csped, suelos gruesos

Pendiente pequea 2%0.130.17

Pendiente grande 7%0.250.35

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

UNCPgina 29

_1479798829.unknown

_1479798833.unknown

_1479812655.xlsGrfico1

104.9219716225

77.1089801358

41.4693296226

24.9324929056

15.4139120136

Hoja1

INTENSIDADES

VIDA TILRIESGO DETIEMPO DE

AOSFALLARETORNO

"N"J (%)Tr (AOS)VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

52247.992145.526105.53257.61935.08322.3635507.7395.0270.17837.53122.45713.719

597.979132.21596.21452.32531.75620.085

1047.958121.93289.01648.23529.18518.325

2517.885107.58378.97142.52825.59815.869

3014.524104.51276.82241.30624.83015.344

4010.29799.38073.23039.26523.54714.465CUADRO N 09: MODELAMIENTO INTENSIDADES (ALCANTARILLAS N = 10 AOS Y J = 50%)

AO5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN507.72595.02070.17837.53122.45713.719

19731017124.11411704.67387.13264.65634.39420.48512.369VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

19747358341819902.71077.86958.17230.71018.16910.784(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

19759050241610102495.483155.428112.46361.55737.55924.058105014.93104.9277.1141.4724.9315.41

19766863371995195.458142.117103.14656.26334.23121.780

1977655337.121111095.413131.83495.94852.17331.66120.020

19782624211262535.263117.48585.90346.46628.07317.564

197960603823143028.540114.41483.75345.24427.30517.038

198073.0260.0233.821.089.284020.080109.28280.16143.20426.02316.160

198167.254.829.1315.5413.025014.933104.92277.10941.46924.93215.414

198288.2975.1537.223.113.27708.81697.03471.58838.33222.96114.064

198375.350.431.423.7113.99904.86287.77165.10434.64820.64512.479

1984112.871.827.615.639.83021485.450171.123123.44967.79941.48326.744

198559.3154.425.5614.78.055585.372157.812114.13262.50538.15524.466

198684.665.430.1115.68.2310285.237147.529106.93458.41535.58422.706

19877649.221.613.27.9525104.783133.17996.88952.70831.99720.250

198870.452.82313.797.853084.611130.10894.73951.48731.22919.724

198973.647.828.0416.489.644059.230124.97791.14749.44629.94618.846

1990111.67537.9423.1812.35043.783120.61688.09547.71128.85618.100

199183.173.440.825.5214.177025.421112.72982.57444.57426.88416.750

199256.138.5218.610.159013.535103.46676.09040.89024.56815.165

199357.7550.6728.217.5410

199491.4964.1836.2219.0412.9

199571.1156.2528.6616.729.3

199681.360.2132.4417.8811.1

199782.268.135.0417.868.9TRAMO DENREALONGIT.PEND.TIEMPOINTENS.COEF.CAUDALUBICACINNREALONGIT.PEND.TIEMPOINTENS.COEF.CAUDALCAUDAL

19989266.3440.627.113.5CUNETADECUENCACAUCESCONCEN.MX.ESCOR.QDECUENCACAUCESCONCEN.MX.ESCOR.APORTE"Q"

199970.838.313.89.96.4REA(KM)(KM)(M/M)(MIN)(MM/H)"CE"(M/SG)REA(KM)(KM)(M/M)(MIN)(MM/H)"CE"(M/SG)(M/SG)

200046.83217.310.15.12+915.002+600.0010.01160.3150.03214.4158.780.750.1422+600.0020.00760.5670.02623.3248.420.750.1420.218

200167.245.325.615.68.92+600.002+372.0030.01330.2280.04410.670.930.750.1972+186.0060.07750.3350.04514.1465.610.750.491.549

Fuente: Estacin Weberbauer2+372.002+186.0050.02980.1860.0488.9178.880.750.491+973.0080.08020.3830.04715.5361.960.750.4421.477

PARMETROS5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN2+186.001+973.0070.02820.2130.0569.675.380.750.4421+697.00100.0750.4970.03619.8753.360.750.8931.727

MEDIA7556.1729.5817.4610.31+973.001+697.0090.0650.2760.05111.9266.010.750.8931+366.00120.09710.5960.0323.6148.050.750.4721.444

DESV. ESTNDAR18.2412.797.284.583.131+697.001+366.00110.03880.3310.03614.5958.340.750.4721+138.00140.08250.410.05116.0960.650.750.461.503

MXIMO112.875.1540.827.1191+366.001+138.00130.03240.2280.03111.3468.050.750.46

MNIMO262413.89.951+138.000+390.00150.15240.7480.04525.9740.990.751.302

N DE DATOS29292929290+390.000+000.00170.17510.390.04615.7955.590.752.028

ALFA ()0.070.10.1760.280.409

BETA ()66.79250.41826.30415.48.888

TRAMO DEN DeHbYBTAhCoef.PmRhSQ CunetaVQ EvacuarCONDICIN

CUNETAREA(M)(M)(M)(M)(M)(M)n(M)(M)(%)(M/SG)(M/SG)(M/SG)

2+915.002+600.0010.30.50.250.80.670.080.0140.840.14.50.273.250.142OK

2+600.002+372.0030.320.550.270.870.730.10.0140.920.111.590.22.040.197OK

2+372.002+186.0050.330.60.280.930.790.110.0140.980.1180.524.720.49OK

2+186.001+973.0070.330.60.280.930.790.110.0140.980.116.460.474.250.442OK

1+973.001+697.0090.420.80.371.221.070.20.0141.320.155.10.914.570.893OK

1+697.001+366.00110.380.60.330.980.850.140.0141.080.133.630.493.490.472OK

1+366.001+138.00130.330.550.280.880.750.10.0140.940.117.140.464.410.46OK

1+138.000+390.00150.350.550.30.90.770.120.0140.980.129.140.65.190.434OK

0+390.000+000.00170.350.570.30.920.790.120.01410.1211.140.685.750.676OK

Hoja1

Hoja2

Hoja3

MBD0011D942.unknown

_1479812658.xlsGrfico1

95.02

70.178

37.531

22.457

13.719

Hoja1

INTENSIDADES

VIDA TILRIESGO DETIEMPO DE

AOSFALLARETORNO

"N"J (%)Tr (AOS)VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

52247.992145.526105.53257.61935.08322.3635507.7395.0270.17837.53122.45713.719

597.979132.21596.21452.32531.75620.085

1047.958121.93289.01648.23529.18518.325

2517.885107.58378.97142.52825.59815.869

3014.524104.51276.82241.30624.83015.344

4010.29799.38073.23039.26523.54714.465CUADRO N 09: MODELAMIENTO INTENSIDADES (ALCANTARILLAS N = 10 AOS Y J = 50%)

AO5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN507.72595.02070.17837.53122.45713.719

19731017124.11411704.67387.13264.65634.39420.48512.369VIDA TILRIESGO DE FALLATIEMPO DE RETORNOTIEMPO EN MINUTOS

19747358341819902.71077.86958.17230.71018.16910.784(AOS)(%)Tr (AOS)5103060120

19759050241610102495.483155.428112.46361.55737.55924.058105014.93104.9277.1141.4724.9315.41

19766863371995195.458142.117103.14656.26334.23121.780

1977655337.121111095.413131.83495.94852.17331.66120.020

19782624211262535.263117.48585.90346.46628.07317.564

197960603823143028.540114.41483.75345.24427.30517.038

198073.0260.0233.821.089.284020.080109.28280.16143.20426.02316.160

198167.254.829.1315.5413.025014.933104.92277.10941.46924.93215.414

198288.2975.1537.223.113.27708.81697.03471.58838.33222.96114.064

198375.350.431.423.7113.99904.86287.77165.10434.64820.64512.479

1984112.871.827.615.639.83021485.450171.123123.44967.79941.48326.744

198559.3154.425.5614.78.055585.372157.812114.13262.50538.15524.466

198684.665.430.1115.68.2310285.237147.529106.93458.41535.58422.706

19877649.221.613.27.9525104.783133.17996.88952.70831.99720.250

198870.452.82313.797.853084.611130.10894.73951.48731.22919.724

198973.647.828.0416.489.644059.230124.97791.14749.44629.94618.846

1990111.67537.9423.1812.35043.783120.61688.09547.71128.85618.100

199183.173.440.825.5214.177025.421112.72982.57444.57426.88416.750

199256.138.5218.610.159013.535103.46676.09040.89024.56815.165

199357.7550.6728.217.5410

199491.4964.1836.2219.0412.9

199571.1156.2528.6616.729.3

199681.360.2132.4417.8811.1

199782.268.135.0417.868.9TRAMO DENREALONGIT.PEND.TIEMPOINTENS.COEF.CAUDALUBICACINNREALONGIT.PEND.TIEMPOINTENS.COEF.CAUDALCAUDAL

19989266.3440.627.113.5CUNETADECUENCACAUCESCONCEN.MX.ESCOR.QDECUENCACAUCESCONCEN.MX.ESCOR.APORTE"Q"

199970.838.313.89.96.4REA(KM)(KM)(M/M)(MIN)(MM/H)"CE"(M/SG)REA(KM)(KM)(M/M)(MIN)(MM/H)"CE"(M/SG)(M/SG)

200046.83217.310.15.12+915.002+600.0010.01160.3150.03214.4158.780.750.1422+600.0020.00760.5670.02623.3248.420.750.1420.218

200167.245.325.615.68.92+600.002+372.0030.01330.2280.04410.670.930.750.1972+186.0060.07750.3350.04514.1465.610.750.491.549

Fuente: Estacin Weberbauer2+372.002+186.0050.02980.1860.0488.9178.880.750.491+973.0080.08020.3830.04715.5361.960.750.4421.477

PARMETROS5 MIN10 MIN30 MIN60 MIN120 MIN2+186.001+973.0070.02820.2130.0569.675.380.750.4421+697.00100.0750.4970.03619.8753.360.750.8931.727

MEDIA7556.1729.5817.4610.31+973.001+697.0090.0650.2760.05111.9266.010.750.8931+366.00120.09710.5960.0323.6148.050.750.4721.444

DESV. ESTNDAR18.2412.797.284.583.131+697.001+366.00110.03880.3310.03614.5958.340.750.4721+138.00140.08250.410.05116.0960.650.750.461.503

MXIMO112.875.1540.827.1191+366.001+138.00130.03240.2280.03111.3468.050.750.46

MNIMO262413.89.951+138.000+390.00150.15240.7480.04525.9740.990.751.302

N DE DATOS29292929290+390.000+000.00170.17510.390.04615.7955.590.752.028

ALFA ()0.070.10.1760.280.409

BETA ()66.79250.41826.30415.48.888

TRAMO DEN DeHbYBTAhCoef.PmRhSQ CunetaVQ EvacuarCONDICIN

CUNETAREA(M)(M)(M)(M)(M)(M)n(M)(M)(%)(M/SG)(M/SG)(M/SG)

2+915.002+600.0010.30.50.250.80.670.080.0140.840.14.50.273.250.142OK

2+600.002+372.0030.320.550.270.870.730.10.0140.920.111.590.22.040.197OK

2+372.002+186.0050.330.60.280.930.790.110.0140.980.1180.524.720.49OK

2+186.001+973.0070.330.60.280.930.790.110.0140.980.116.460.474.250.442OK

1+973.001+697.0090.420.80.371.221.070.20.0141.320.155.10.914.570.893OK

1+697.001+366.00110.380.60.330.980.850.140.0141.080.133.630.493.490.472OK

1+366.001+138.00130.330.550.280.880.750.10.0140.940.117.140.464.410.46OK

1+138.000+390.00150.350.550.30.90.770.120.0140.980.129.140.65.190.434OK

0+390.000+000.00170.350.570.30.920.790.120.01410.1211.140.685.750.676OK

Hoja1

Hoja2

Hoja3

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