trabajo completo hidrologia e hidraulica en proyectos carreteros

HIDRAULICAHIDROLOGIA E HIDRAULA EN CARRETERAS

FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

HIDROLOGIA E HIDRAULICA EN PROYECTOS CARRETEROS

INTEGRANTES: Palomino Espinoza Frank Carlos

Sánchez Carranza Roger A.

CURSO: Hidráulica

DOCENTE: Ing. Arbulú Ramos José

CICLO: VII (Sétimo)

PIMENTEL, JUNIO DEL 2013

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INTRODUCCION

Como parte del desarrollo de un proyecto carretero sobre un curso de agua se deben

llevar a cabo estudios hidrológicos e hidráulicos y evaluar diferentes ubicaciones posibles.

El grado de detalle de estos estudios debe ser proporcional a la importancia y los riesgos

asociados con la estructura.

Las estructuras de la carretera temporarias para uso del Contratista o para acomodar el

tráfico durante la construcción se deben diseñar considerando la seguridad del tráfico y de

los propietarios de propiedades adyacentes, así como la minimización del impacto sobre

los recursos naturales de la zona de inundación. El Propietario puede permitir requisitos

de diseño modificados consistentes con el período de servicio previsto para la estructura

temporaria y con los riesgos de inundación generados por la misma.

Durante la evaluación de las alternativas de diseño para una carretera se deben

considerar la estabilidad del curso de agua, remanso, velocidades de flujo, potencial de

socavación, riesgo de inundación, y consistencia con los criterios establecidos para el

Programa Nacional de Seguro contra las Inundaciones.

Las obras para la construcción de carreteras incluyen actividades que repercuten en las

aguas superficiales y subterráneas de diferente grado. En este trabajo, resultado del

análisis de la literatura especializada más reciente, así como de la revisión de la mayor

parte de las evaluaciones de impacto ambiental practicadas a los proyectos carreteros

federales, se identifican los impactos sobre los dos factores ambientales señalados

durante todas las etapas de desarrollo del proyecto.

OBJETIVOS:

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Conocer el drenaje superficial natural del terreno y restituir aquellos drenajes

interceptados por el camino.

Estudiar el efecto que la carretera tiene sobre los canales y cursos de agua

existentes, cuyo trazado deba ser modificado.

Conocer cómo y cuáles son los procedimientos que se realizan para hacer un

Proyecto Carretero tomando en cuenta la hidrología y la Hidráulica en su

construcción.

Conocer cuáles son los instrumentos empleados en campo para realizar un

Proyecto carretero con implementos Hidráulicos.

Conocer en forma detallada el conjunto de elementos asociados al diseño de

una carretera.

1. CONCEPTOS GENERALES DE HIDRAULICA Y DRENAJE

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1.1 HIDRAULICA : Es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del

estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las

fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.

1.2 DRENAJE SUPERFICIAL:

1.2.1 Finalidad del drenaje superficial:

El drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas de la carretera para evitar

el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y transitabilidad.

El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de una

carretera y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de

la escorrentía a lo largo de éste.

El drenaje superficial comprende:

• La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus

taludes.

• La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales.

• La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados

por la carretera.

1.2.2 Criterios funcionales:

Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios

funcionales, según se menciona a continuación:

• La facilidad de su obtención y así como los costos de construcción y

mantenimiento.

• Los daños que eventualmente producirían los caudales de agua

correspondientes al periodo de retorno, es decir, los máximos del

periodo de diseño.

Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno y

considerando el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje, se deberá

cumplir las siguientes condiciones:

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• En los elementos de drenaje superficial, la velocidad del agua será tal

que no produzca daños por erosión ni por sedimentación.

• El máximo nivel de la lámina de agua dentro de una alcantarilla será

tal que siempre se mantenga un borde libre no menor de 0.10 m.

• Daños materiales a terceros, producibles por una eventual inundación

de zonas aledañas a la carretera, debida a la sobre elevación del nivel

de la corriente en un cauce, provocada por la presencia de una obra

de drenaje transversal.

1.2.3 Periodo de retorno:

La selección del caudal de diseño para el cual debe proyectarse un elemento del

drenaje superficial está relacionada con la probabilidad o riesgo que ese caudal sea

excedido durante el periodo para el cual se diseña la carretera. En general, se

aceptan riesgos más altos cuando los daños probables que se produzcan, en caso

de que discurra un caudal mayor al de diseño, sean menores y los riesgos

aceptables deberán ser muy pequeños cuando los daños probables sean mayores.

El riesgo o probabilidad de excedencia de un caudal en un intervalo de años está

relacionado con la frecuencia histórica de su aparición o con el periodo de retorno.

En el cuadro se muestran los valores del riesgo de excedencia del caudal de

diseño, durante la vida útil del elemento de drenaje para diversos períodos de

retorno.

Se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 años para las cunetas

y para las alcantarillas de alivio. Para las alcantarillas de paso, el periodo de retorno

aconsejable es de 50 años. Para los pontones y puentes, el periodo de retorno no

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será menor a 100 años. Cuando sea previsible que se produzcan daños

catastróficos en caso de que se excedan los caudales de diseño, el periodo de

retorno podrá ser hasta de 500 años ó más.

En el cuadro se indican períodos de retorno aconsejables según el tipo de obra de

drenaje.

1.2.4 Riesgo de Obstrucción:

Las condiciones de funcionamiento de los elementos de drenaje superficial pueden

verse alteradas por su obstrucción debido a cuerpos arrastrados por la corriente.

Entre los elementos del drenaje superficial de la plataforma, el riesgo es

especialmente mayor en los sumideros y colectores enterrados, debido a la

presencia de elementos flotantes y/o sedimentación del material transportado por el

agua. Para evitarlo, se necesita un adecuado diseño, un cierto sobre

dimensionamiento y una eficaz conservación o mantenimiento.

El riesgo de obstrucción de las obras de drenaje transversal (alcantarillas de paso

de cursos naturales), fundamentalmente por vegetación arrastrada por la corriente,

dependerá de las características de los cauces y zonas inundables y puede

clasificarse en las categorías siguientes:

• Riesgo alto: Existe peligro de que la corriente arrastre árboles y rocas

u objetos de tamaño parecido.

• Riesgo medio: Pueden ser arrastradas cañas, arbustos, ramas y

objetos de dimensiones similares en cantidades importantes.

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• Riesgo bajo: No es previsible el arrastre de objetos de tamaño en

cantidad suficiente como para obstruir el desagüe.

Si el riesgo fuera alto, deberá procurarse que las obras de drenaje transversal no

funcionen a sección llena, dejando entre el nivel superior de la superficie del agua y

el techo del elemento un borde libre, para el nivel máximo del agua, con un

resguardo mínimo de 1.5 m, mantenido en una anchura no inferior a 12 m. Si el

riesgo fuera medio, las cifras anteriores podrán reducirse a la mitad. De no

cumplirse estas condiciones, deberá tenerse en cuenta la sobre elevación del nivel

del agua que pueda causar una obstrucción, aplicando en los cálculos una

reducción a la sección teórica de desagüe. También se podrá recurrir al diseño de

dispositivos para retener al material flotante, aguas arriba y a distancia suficiente.

Esto siempre que se garantice el mantenimiento adecuado.

Deberá comprobarse que la carretera no constituya un obstáculo que retenga las

aguas desbordadas de un cauce o conducto de agua, y prolongue de forma

apreciable la inundación después de una crecida.

1.2.5 Cálculos Hidráulicos:

Las dimensiones de los elementos del drenaje superficial serán establecidas

mediante métodos teóricos conocidos de acuerdo a las características hidrológicas

de la zona por la que pasa la carretera y tomando en cuenta la información

pluviométrica disponible.

El método de estimación de los caudales asociados a un período de retorno

depende del tamaño y naturaleza de la cuenca tributaria. Por su naturaleza

representan casos especiales la presencia de lagos, embalses y zonas inundables

que retengan o desvíen la escorrentía.

Cuando las cuencas son pequeñas, se considera pertinente el método de la fórmula

racional y/o de alguna otra metodología apropiada para la determinación del caudal

de diseño. Se consideran cuencas pequeñas a aquellas en que el tiempo de

concentración es igual o menor a 6 horas. El tiempo de recorrido del flujo en el

sistema de cauces de una cuenca (o tiempo de concentración relacionado con la

intensidad media de precipitación), se puede deducir por la fórmula:

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T = 0.3 (L/J¼) ¾

Siendo:

T = Tiempo de concentración en horas

L = Longitud del cauce principal en km.

J = Pendiente media

Cuando se disponga de información directa sobre niveles o cualidades de la

avenida, se recomienda comparar los resultados obtenidos del análisis con esta

información directa.

El caudal de diseño que aporta una cuenca pequeña se obtendrá mediante la

fórmula racional:

Q = C I A / 3.6

Q = Caudal m3/seg. (Para cuencas pequeñas) en la sección en estudio.

I = Intensidad de la precipitación pluvial máxima, previsible,

correspondiente a una duración igual al tiempo de concentración y a un

periodo de retorno dado, en mm/h.

A = Área de la cuenca en km2

C = Coeficiente de escorrentía.

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El coeficiente de C, de la fórmula racional, puede determinarse con la ayuda de los

valores mostrados en los cuadros:

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Para la determinación del coeficiente de escorrentía también podrán tomarse como

referencia, cuando sea pertinente, los valores mostrados en el cuadro.

Para el cálculo de la velocidad y del caudal en un canal con régimen hidráulico

uniforme, se puede emplear la fórmula de Manning.

V = R2/3 S1/2 / nQ = VAR = A / P

Donde:

Q = Caudal m3/s

V = Velocidad media m/s

A = Área de la sección transversal ocupada por el agua m2

P = Perímetro mojado m

R = A/P; Radio hidráulico m

S = Pendiente del fondo m/m

n = Coeficiente de rugosidad de Nanning (ver cuadro)

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1.2.6 Elementos físicos del drenaje Superficial

a) Drenaje del agua que escurre superficialmente

Función Del Bombeo Y Del Peralte

La eliminación del agua de la superficie de rodadura se efectúa por medio del

bombeo en las secciones en tangente y del peralte en las curvas horizontales,

provocando el escurrimiento de las aguas hacia las cunetas.

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b) Cunetas:

Las cunetas preferentemente serán de sección triangular y se proyectarán para

todos los tramos al pie de los taludes de corte.

Sus dimensiones serán fijadas de acuerdo a las condiciones pluviales, siendo las

dimensiones mínimas aquellas indicadas en el cuadro Nº 4.1.3.a.

El ancho es medido desde el borde de la subrasante hasta la vertical que pasa por

el vértice inferior. La profundidad es medida verticalmente desde el nivel del borde

de la subrasante al fondo o vértice de la cuneta.

Cuando existan limitaciones de ancho de la plataforma se podrá proyectar cunetas

con doble función:

• Drenaje y

• Área de emergencia (berma)

Para los cuales se buscará la solución más adecuada tales como: cunetas

cubiertas, berma-cuneta, etc.

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• Revestimiento De Las Cunetas

Para evitar el deterioro del pavimento, las cunetas deberán ser revestidas. Dicho

revestimiento será a base de mampostería de piedra, concreto u otro material

adecuado.

• Desagüe De Las Cunetas

La descarga de agua de las cunetas se efectuará por medio de alcantarillas de

alivio.

En región seca o poco lluviosa la longitud de las cunetas será de 250 m. como

máximo. Las longitudes de recorridos mayores deberán justificarse técnicamente.

En región muy lluviosa se recomienda reducir esta longitud máxima a 200 m.

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c) Zanjas de coronación

• UBICACIÓN DE LAS ZANJAS DE CORONACIÓNCuando se prevea que el talud de corte está expuesto a efecto

erosivo del agua de escorrentía, se deberá diseñar zanjas de

coronación.

• REVESTIMIENTO DE LAS ZANJAS DE CORONACIÓNSe deberá revestir las zanjas en el caso que estén previstas

filtraciones que pueden poner en peligro la estabilidad del talud de

corte.

d) Zanjas de recolección

La zanja de recolección será necesaria para llevar las aguas de las

alcantarillas de alivio hacia los cursos de agua existente.

• Dimensiones De Las Zanjas

Las dimensiones se fijarán de acuerdo a las condiciones

pluviométricas de la zona y características del terreno.

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• Desagüe De Las ZanjasLa ubicación de los puntos de desagüe deberá ser fijada por el

proyectista teniendo en cuenta la ubicación de las alcantarillas y la

longitud máxima que puede alcanzar la zanja con relación a sus

dimensiones y a la lluviosidad de la zona.

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e) Canal de bajada

Cuando la carretera en media ladera o en corte cerrado cruza un

curso de agua que no es posible desviar, es necesario encauzar las

aguas en un canal de bajada revestida con el fin también de

preservar la estabilidad del talud.

f) Alcantarillas de paso y alcantarillas de alivio

• TIPO Y UBICACIÓNEl tipo de alcantarilla deberá de ser elegido en cada caso teniendo

en cuenta el caudal a eliminarse, la naturaleza y la pendiente del

cauce y el costo en relación con la disponibilidad de los materiales.

La cantidad y la ubicación deberán establecerse a fin de garantizar

el funcionamiento del sistema de drenaje. En los puntos bajos del

perfil longitudinal, debe proyectarse una alcantarilla de alivio.

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• DIMENSIONES MÍNIMAS

La dimensión mínima interna de las alcantarillas deberá ser la que

permite su limpieza y conservación, adoptándose una sección

circular mínima de 0.90 m (36”) de diámetro o su equivalente de otra

sección.

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g) Badenes

Los badenes son una solución satisfactoria para los cursos de agua

que descienden por quebradas cuyo nivel de fondo de cauce

coincide con el nivel de la rasante, descargando materiales sólidos

esporádicamente con fuerza durante algunas horas, en épocas de

lluvia.

Los badenes tienen como superficie de rodadura una capa de

empedrado de protección o tienen una superficie mejorada formada

por una losa de concreto.

Evitar la colocación de badenes sobre depósitos de suelos de grano

fino susceptibles a la socavación, evitar también la adopción de

diseños que no prevean protección contra la socavación.

En casos que así lo ameriten, podrá afianzarse su estabilidad

mediante uñas a la entrada y/o salida de la estructura.

También pueden usarse badenes combinados con alcantarillas,

tanto de tubos como del tipo cajón; sin embargo estas estructuras

pueden originar el represamiento de los materiales de arrastre en el

cauce ocasionado la obstrucción de la alcantarilla, poniendo en

riesgo la estabilidad de la estructura.

Los badenes presentan la ventaja de que son estructuras menos

costosas que las alcantarillas grandes, pontones o puentes.

Asimismo, en general, no son susceptibles de obstruirse.

Para el diseño de badenes se recomienda lo siguiente:

• Usar una estructura o una losa suficientemente larga para proteger el

“perímetro mojado” del cauce natural del curso de agua. Agregar

protección por arriba del nivel esperado de aguas máximas. Mantener un

borde libre, típicamente de entre 0.3 y 0.5 metros, entre la parte

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superior de la superficie reforzada de rodadura (losa) y el nivel de

aguas máximas esperado.

• Proteger toda la estructura con pantallas impermeables,

enrocamiento, gaviones, losas de concreto, u otro tipo de protección

contra la socavación.

• Construir las cimentaciones sobre material resistente a la socavación

(roca sana o enrocada) o por debajo de la profundidad esperada de

socavación. Evitar la socavación de la cimentación o del cauce

mediante el uso de empedrado pesado colocado localmente, jaulas de

gaviones o refuerzo de concreto.

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1.3 DRENAJE SUBTERRANEO:

1.3.1 Condiciones generales

El drenaje subterráneo se proyectará para controlar y/o limitar la humedad de la

plataforma de la carretera y de los diversos elementos del pavimento de una

carretera.

Sus funciones serán alguna o varias de las siguientes:

a) Interceptar y desviar corrientes subsuperficiales y/o subterráneas

antes de que lleguen al lecho de la carretera.

b) Hacer descender el nivel freático.

c) Sanear las capas del pavimento.

Las figuras muestran la disposición general que deben tener los drenes

subterráneos.

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1.3.2 Drenes subterráneos

El dren subterráneo estará constituido por una zanja en la que se colocará un tubo

con orificios perforados, juntas abiertas, o de material poroso. Se rodeará de un

material permeable, material filtro, compactado adecuadamente, y se aislará de las

aguas superficiales por una capa impermeable que ocupe y cierre la parte superior

de la zanja.

Las paredes de la zanja serán verticales o ligeramente inclinadas, salvo en drenes

transversales o en espina de pez en que serán admisibles, incluso convenientes,

pendientes más fuertes. En casos normales, el talud máximo no superará el valor

1/5.

1.3.3 Relleno De Zanjas

Cuando el fondo de la zanja se encuentre en terreno impermeable, para evitar la

acumulación de agua bajo la tubería se preverá la colocación de una capa de

material, perfectamente apisonado, y que puede ser del mismo terreno, alrededor

del tubo, sin que alcance el nivel de las perforaciones, o se asentará sobre un

solado. En caso de tuberías con juntas abiertas, estas pueden cerrarse en su

tercio inferior y dar a la capa impermeable el espesor correspondiente.

Si el fondo de la zanja se encuentra en terreno permeable, no son necesarias las

anteriores precauciones.

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La composición granulométrica del material permeable, material filtro, con el que

se rellene, la zanja del dren requiere una atención especial, pues de ella depende

su buen funcionamiento.

Si dn es el diámetro del elemento de suelo o filtro tal que n % de sus elementos en

peso son menores que dn deben cumplirse las siguientes condiciones:

a. Para impedir el movimiento de las partículas del suelo hacia el material filtrante.

d15 del filtro / d85 del suelo < 5


En el caso de terreno natural de granulometría uniforme, se sustituirá la primera

relación por:


b. Para que el agua alcance fácilmente el dren: d15 del filtro / d15 del suelo > 5

c. Para evitar el peligro de colmatación de los tubos por el material filtro.

En los tubos con perforaciones circulares:

• d85 del filtro / diámetro del orificio del tubo > 1.0

En los tubos con juntas abiertas:

• d85 del material filtro / ancho de la junta > 1.2

• En los tubos de concreto poroso, se debe respetar la siguiente

condición:

• d85 del árido del dren poroso / d85 del filtro < 5

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1.3.4 Caja De Registro Y Buzones

En los drenes longitudinales, se proyectarán, a intervalos regulares, cajas de

registro o buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del

drenaje y sirvan para evacuar el agua recogida por la tubería del dren, bien a un

colector principal, bien a una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terraplén, a

una vaguada natural o a otros dispositivos de desagüe.

Con independencia de lo anterior, deberán colocarse cajas de registro o buzones

en todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje.

La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en general entre 80

m y 100 m y dependerá de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de

desagüe, de la disposición general del drenaje y de los elementos naturales

existentes.

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1.3.5 Drenes de intercepción

Se clasifican, por su posición, en longitudinales y transversales.

Drenes longitudinales

EI fondo del tubo debe quedar, por lo menos, 15 cm. por debajo del plano superior

de la capa impermeable o relativamente impermeable, que sirve de lecho a la

corriente subterránea. En el caso de que esta capa sea roca, deben extremarse

las precauciones para evitar que parte de la filtración cruce el dren por debajo de

la tubería.

El caudal a desaguar puede determinarse aforando la corriente subterránea. Para

ello, se agotará el agua que afluya a la zanja en que se situará el dren en una

longitud y tiempo determinados.

Para interceptar filtraciones laterales que procedan de uno de los lados de la

carretera, se dispondrá un solo dren longitudinal en el lado de la filtración. Sin

embargo, en el fondo de un valle o quebrada, donde el agua pueda proceder de

ambos lados, deberán disponerse dos drenes de intersección, uno a cada lado de

la carretera. Las figuras son ejemplo de drenes longitudinales en carreteras a

media ladera y en trinchera, respectivamente.

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Drenes transversales

En carreteras en pendiente, los drenes longitudinales pueden no ser suficientes

para interceptar todo el agua de filtración.

En estos casos, deberá instalarse drenes interceptores transversales normales al

eje de la carretera o un drenaje en espina de pez.

La distancia entre drenes interceptores transversales será, por término medio, de

20 m á 25 m. El drenaje en espina de pez se proyectará de acuerdo con las

siguientes condiciones (figura).

a. El eje de las espinas formará con el eje de la carretera un ángulo de 60º.

b. Las espinas estarán constituidas por una zanja situada bajo el nivel del

plano superior de la explanada.

c. Sus paredes serán inclinadas, con talud aproximado de 1/2, para repartir,

al máximo, el posible asiento diferencial.

d. Las zanjas se rellenarán de material filtro.

e. Las espinas llevarán una cuna de concreto de baja resistencia o arcilla

unida al solado del dren longitudinal.

f. Las espinas consecutivas se situarán a distancias variables que

dependerán de la naturaleza del suelo que compone la explanada.

Dichas distancias estarán comprendidas entre 6 m, para suelos muy

arcillosos, y 28 m para suelos arenosos. Con independencia de la

pendiente longitudinal de la carretera, se recomienda utilizar drenes en

espina de pez al pasar de corte cerrado (trinchera) a terraplén, como

protección de éste contra las aguas infiltradas procedentes de la

trinchera (corte cerrado).

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2. CONCEPTOS GENERALES DE HIDROLOGÍA

2.1 HIDROLOGIA : Es la ciencia geográfica que se dedica al estudio de la

distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la

atmósfera y en la corteza terrestre. Esto incluye las precipitaciones, la

escorrentía, la humedad del suelo, la evapotranspiración y el equilibrio de las

masas glaciares.

2.2 ALCANCE:

Este capítulo trata temas relacionados a las metodologías que permiten estimar los

caudales de diseño de las obras que constituyen el sistema de drenaje proyectado

de la carretera (drenaje superficial y subterráneo).

Partiendo del análisis de la información hidrológica y meteorológica disponible en el

área de estudio, se presentan criterios de diseño y límites de aplicación de los

métodos considerados, a fin de que el especialista seleccione la alternativa más

apropiada para cada caso en particular.

La información hidrológica y meteorológica a utilizar en el estudio deberá ser

proporcionada por el Servicio Nacional de Meteorología e hidrología (SENAMHI),

entidad que es el ente rector de las actividades hidrometeorológicas en el país. En

lugares en que no se cuenta con la información del SENAMHI, y de ser el caso se

recabará información de entidades encargadas de la administración de los recursos

hídricos del lugar, previa verificación de la calidad de la información.

El registro y estudio de las máximas avenidas anuales permite determinar, bajo

cierto supuestos, la probabilidad de ocurrencia de avenidas de una cierta magnitud.

Se debe tener en cuenta que, las avenidas son fenómenos originados por el

carácter aleatorio de las descargas de los ríos. La ocurrencia de crecidas de los ríos

se describe en términos probabilísticas. Es decir, que cada avenida va asociada una

probabilidad de ocurrencia.

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Es importante señalar que los métodos y procedimientos que se describen en el

presente capítulo abarcan únicamente la determinación de caudales líquidos

provenientes de precipitaciones pluviales y no incluye la determinación de caudales

provenientes de deshielos, inundaciones causadas por desborde de ríos y colapso

de presas de irrigación. Asimismo, no incluye la estimación de caudales sólidos que

puedan transportar los cursos naturales. Sin embargo, si el funcionamiento o vida

útil de la obra de drenaje proyectada está supeditada al comportamiento de estos

factores, el Proyectista deberá tomarlos en cuenta al efectuar los diseños de las

obras de drenaje.

2.3 FACTORES HIDROLOGICOS Y GEOLÓGICOS QUE INCIDEN EN EL DISEÑO

HIDRÁULICO DE LAS OBRAS DE DRENAJE

El presente ítem describe los factores que influyen en la obtención de diseños

adecuados que garanticen el buen funcionamiento del sistema de drenaje

proyectado, acorde a las exigencias hidrológicas de la zona de estudio.

El primer factor a considerar se refiere al tamaño de la cuenca como factor

hidrológico, donde el caudal aportado estará en función a las condiciones climáticas,

fisiográficas, topográficas, tipo de cobertura vegetal, tipo de manejo de suelo y

capacidad de almacenamiento.

Los factores geológicos e hidrogeológicos que influyen en el diseño se refieren a la

presencia de aguas subterráneas, naturaleza y condiciones de las rocas permeables

y de los suelos: su homogeneidad, estratificación, conductividad hidráulica,

compresibilidad, etc y también a la presencia de zonas proclives de ser afectadas

por fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico.

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2.4 ESTUDIOS DE CAMPO

Los estudios de campo deben efectuarse con el propósito de identificar, obtener y

evaluar la información referida: al estado actual de las obras de drenaje existentes,

condiciones topográficas e hidrológicas del área de su emplazamiento. Asimismo el

estudio de reconocimiento de campo permite identificar y evaluar los sectores

críticos actuales y potenciales, de origen hídrico como deslizamientos, derrumbes,

erosiones, huaycos, áreas inundables, asentamientos, etc. que inciden

negativamente en la conservación y permanencia de la estructura vial (carreteras

y/o puentes).

Se debe evaluar las condiciones de las estaciones pluviométricas e hidrométricas,

así como la consistencia de los datos registrados.

Por otro lado, el estudio de reconocimiento de campo permite localizar y hacer el

estudio correspondiente de todas las cuencas y/o microcuencas hidrográficas, cuyos

cursos naturales de drenaje principal interceptan el eje vial en estudio.

Para la elaboración de un estudio o informe de Hidrología, la actividad de estudio de

campo a lo largo del proyecto vial, es de carácter obligatorio, por parte del o los

especialista (s) a cargo de los estudios hidrológicos e hidráulicos.

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2.5 ÁREA DEL PROYECTO - ESTUDIO DE LA(S) CUENCA(S)

HIDROGRÁFICA(S)

El estudio de cuencas está orientado a determinar sus características hídricas y

geomorfológicas respecto a su aporte y el comportamiento hidrológico. El mayor

conocimiento de la dinámica de las cuencas permitirá tomar mejores decisiones

respecto al establecimiento de las obras viales.

Es importante determinar las características físicas de las cuencas como son: el

área, forma de la cuenca, sistemas de drenaje, características del relieve, suelos,

etc. Estas características dependen de la morfología (forma, relieve, red de drenaje,

etc.), los tipos de suelos, la cobertura vegetal, la geología, las prácticas agrícolas,

etc. Estos elementos físicos proporcionan la más conveniente posibilidad de

conocer la variación en el espacio de los elementos del régimen hidrológico.

2.6 SELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO

El tiempo promedio, en años, en que el valor del caudal pico de una creciente

determinada es igualado o superado una vez cada “T” años, se le denomina Período

de Retorno “T”. Si se supone que los eventos anuales son independientes, es

posible calcular la probabilidad de falla para una vida útil de n años.

Para adoptar el período de retorno a utilizar en el diseño de una obra, es necesario

considerar la relación existente entre la probabilidad de excedencia de un evento, la

vida útil de la estructura y el riesgo de falla admisible, dependiendo este último, de

factores económicos, sociales, técnicos y otros.

El criterio de riesgo es la fijación, a priori, del riesgo que se desea asumir por el caso

de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo de vida útil, lo cual implica que no

ocurra un evento de magnitud superior a la utilizada en el diseño durante el primer

año, durante el segundo, y así sucesivamente para cada uno de los años de vida de

la obra.

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El riesgo de falla admisible en función del período de retorno y vida útil de la obra

está dado por:

R = 1- (1-1/T)n

Si la obra tiene una vida útil de n años, la fórmula anterior permite calcular el

período de retorno T, fijando el riesgo de falla admisible R, el cual es la probabilidad

de ocurrencia del pico de la creciente estudiada, durante la vida útil de la obra. (Ver

Figura Nº 01)

En la Tabla Nº 01 se presenta el valor T para varios riesgos permisibles R y para la vida útil n de la obra.

TABLA Nº 01: Valores de Período de Retorno T (Años) RIESGO ADMISIBLE

VIDA ÚTIL DE LAS OBRAS (n años)

R 1 2 3 5 10 20 25 50 100 2000,01 100 199 299 498 995 1990 2488 4975 9950 19900 0,02 50 99 149 248 495 990 1238 2475 4950 9900 0,05 20 39 59 98 195 390 488 975 1950 3900 0,10 10 19 29 48 95 190 238 475 950 1899 0,20 5 10 14 23 45 90 113 225 449 897 0,25 4 7 11 18 35 70 87 174 348 695 0,50 2 3 5 8 15 29 37 73 154 289 0,75 1,3 2 2,7 4,1 7,7 15 18 37 73 1440,99 1 1,11 1,27 1,66 2,7 5 5,9 11 22 44

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De acuerdo a los valores presentados en la Tabla Nº 01 se recomienda

utilizar como máximo, los siguientes valores de riesgo admisible de obras

de drenaje:

TIPO DE OBRA RIESGO ADMISIBLE (**) ( %)

Puentes (*) 25 Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes

30

Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas

35

Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal) 40 Subdrenes 40 Defensas Ribereñas 25

(*) - Para obtención de la luz y nivel de aguas máximas extraordinarias.

- Se recomienda un período de retorno T de 500 años para el cálculo de

socavación.

(**) - Vida Útil considerado (n)

• Puentes y Defensas Ribereñas n= 40 años.

• Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 años.

• Alcantarillas de quebradas menores n= 15 años.

• Drenaje de plataforma y Sub-drenes n= 15 años.

- Se tendrá en cuenta, la importancia y la vida útil de la obra a diseñarse.

- El Propietario de una Obra es el que define el riesgo admisible de falla y la

vida útil de las obras.

2.7 ANALISIS ESTADISTICO DE DATOS HIDROLOGICOS

2.7.1 MODELOS DE DISTRIBUCION

El análisis de frecuencias tiene la finalidad de estimar precipitaciones,

intensidades o caudales máximos, según sea el caso, para diferentes

períodos de retorno, mediante la aplicación de modelos probabilísticos, los

cuales pueden ser discretos o continuos.

En la estadística existen diversas funciones de distribución de probabilidad

teóricas; recomendándose utilizar las siguientes funciones:

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Distribución Normal

Distribución Log Normal 2 parámetros

Distribución Log Normal 3 parámetros

Distribución Gamma 2 parámetros

Distribución Gamma 3 parámetros

Distribución Log Pearson tipo III

Distribución Gumbel

Distribución Log Gumbel

2.8 DETERMINACION DE LA TORMENTA DE DISEÑO

Uno de los primeros pasos en muchos proyectos de diseño es la

determinación del evento de lluvia a usar.

Una tormenta de diseño es un patrón de precipitación definido para

utilizarse en el diseño de un sistema hidrológico. Usualmente la tormenta

de diseño conforma la entrada al sistema, y los caudales resultantes a

través de éste se calculan utilizando procedimientos de lluvia-escorrentía y

tránsito de caudales. Una tormenta de diseño puede definirse mediante un

valor de profundidad de precipitación en un punto, mediante un hietograma

de diseño que especifique la distribución temporal de la precipitación

durante una tormenta.

Las tormentas de diseño pueden basarse en información histórica de

precipitación de una zona o pueden construirse utilizando las

características generales de la precipitación en regiones adyacentes. Su

aplicación va desde el uso de valores puntuales de precipitación en el

método racional para determinar los caudales picos en alcantarillados de

aguas lluvias y alcantarillas de carreteras, hasta el uso de hietogramas de

tormenta como las entradas para el análisis de lluvia-escorrentía en

embalses de detención de aguas urbanas.

Para determinación de la tormenta de diseño sería recomendable contar

con información obtenida a través de un pluviógrafo, ya que este equipo

provee información instantánea, sin embargo, la mayoría de estaciones de

medición de precipitaciones solo cuentan con pluviómetros que solo

proveen de valores medios.

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2.8.1 CURVAS INTENSIDAD – DURACIÓN – FRECUENCIA

La intensidad es la tasa temporal de precipitación, es decir, la profundidad

por unidad de tiempo (mm/h). Puede ser la intensidad instantánea o la

intensidad promedio sobre la duración de la lluvia. Comúnmente se utiliza

la intensidad promedio, que puede expresarse como:

Donde P es la profundidad de lluvia (mm) y Td es la duración, dada

usualmente en horas. La frecuencia se expresa en función del período de

retorno, T, que es el intervalo de tiempo promedio entre eventos de

precipitación que igualan o exceden la magnitud de diseño.

Las curvas intensidad – duración – frecuencia son un elemento de diseño

que relacionan la intensidad de la lluvia, la duración de la misma y la

frecuencia con la que se puede presentar, es decir su probabilidad de

ocurrencia o el periodo de retorno.

Para determinar estas curvas IDF se necesita contar con registros

pluviográficos de lluvia en el lugar de interés y seleccionar la lluvia más

intensa de diferentes duraciones en cada año, con el fin de realizar un

estudio de frecuencia con cada una de las series así formadas. Es decir, se

deben examinar los hietogramas de cada una de las tormentas ocurridas

en un año y de estos hietogramas elegir la lluvia correspondiente a la hora

más lluviosa, a las dos horas más lluviosas, a las tres horas y así

sucesivamente. Con los valores seleccionados se forman series anuales

para cada una de las duraciones elegidas. Estas series anuales están

formadas eligiendo, en cada año del registro, el mayor valor observado

correspondiente a cada duración, obteniéndose un valor para cada año y

cada duración.

Cada serie se somete a un análisis de frecuencia, asociando modelos

probabilísticas según lo descrito en el ítem 3.7. Así se consigue una

asignación de probabilidad para la intensidad de lluvia correspondiente a

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cada duración, la cual se representa en un gráfico único de intensidad vs

duración, teniendo como parámetro el período de retorno, tal como se

muestra en el ejemplo (Ver Figura Nº 02).

Cabe indicar que formar las series anuales es un proceso largo y laborioso,

que involucra el examen cuidadoso de los rollos pluviográficos, la lectura de

los valores, la digitación de la información, la contrastación y verificación de

los valores leídos con los registros pluviométricos cercanos y el análisis de

las tormentas registradas para encontrar los máximos valores registrados

para cada una de las duraciones seleccionadas.

Figura Nº 02: Ejemplo Curvas Intensidad – Duración – Frecuencia para

lluvia máxima.

Las curvas de intensidad – duración – frecuencia también pueden

expresarse como ecuaciones con el fin de evitar la lectura de la intensidad

de lluvia de diseño en un una gráfica. Un modelo general es el siguiente:

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Donde I es la intensidad de lluvia de diseño, D es la duración y a, b y m son

coeficientes que varían con el lugar y el período de retorno, asimismo para

su determinación se requiere hacer una linealización previa de la ecuación

para luego hallar los parámetros a, b y m por medio de regresión lineal.

La duración de la lluvia de diseño es igual al tiempo de concentración (tc)

para el área de drenaje en consideración, dado que la escorrentía alcanza

su pico en el tiempo de concentración, cuando toda el área está

contribuyendo al flujo en la salida.

En nuestro país, debido a la escasa cantidad de información pluviográfica

con que se cuenta, difícilmente pueden elaborarse estas curvas.

Ordinariamente solo se cuenta con lluvias máximas en 24 horas, por lo que

el valor de la Intensidad de la precipitación pluvial máxima generalmente se

estima a partir de la precipitación máxima en 24 horas, multiplicada por un

coeficiente de duración; en la Tabla Nº 04 se muestran coeficientes de

duración, entre 1 hora y 48 horas, los mismos que podrán usarse, con

criterio y cautela para el cálculo de la intensidad, cuando no se disponga de

mejor información.

TABLA: Coeficientes de duración lluvias entre 48 horas y una hora

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2.9 ESTIMACION DE CAUDALES

Cuando existen datos de aforo en cantidad suficiente, se realiza un análisis

estadístico de los caudales máximos instantáneos anuales para la estación

más cercana al punto de interés. Se calculan los caudales para los

períodos de retorno de interés (2, 5, 10, 20, 50, 100 y 500 años son valores

estándar) usando la distribución log normal, log pearson III y Valor Extremo

Tipo I (Gumbel), etc., según el ítem 3.7

Cuando no existen datos de aforo, se utilizan los datos de precipitación

como datos de entrada a una cuenca y que producen un caudal Q. cuando

ocurre la lluvia, la cuenca se humedece de manera progresiva, infiltrándose

una parte en el subsuelo y luego de un tiempo, el flujo se convierte en flujo

superficial.

A continuación se presentan algunas metodologías:

2.9.1 METODO RACIONAL

Estima el caudal máximo a partir de la precipitación, abarcando todas las

abstracciones en un solo coeficiente c (coef. escorrentía) estimado sobre la

base de las características de la cuenca. Muy usado para cuencas, A<10

Km2. Considerar que la duración de P es igual a tc.

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DURACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN HORAS

COEFICIENTE

1 0.25 2 0.31 3 0.38 4 0.44 5 0.50 6 0.56 8 0.64


La descarga máxima de diseño, según esta metodología, se obtiene a partir

de la siguiente expresión:

Q = 0,278 CIA

Donde:

Q : Descarga máxima de diseño (m3/s)

C : Coeficiente de escorrentía (Ver Tabla)

I : Intensidad de precipitación máxima horaria (mm/h)

A: Área de la cuenca (Km2).

El valor del coeficiente de escorrentía se establecerá de acuerdo a las

características hidrológicas y geomorfológicas de las quebradas cuyos

cursos interceptan el alineamiento de la carretera en estudio. En virtud a

ello, los coeficientes de escorrentía variarán según dichas características.

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2.9.1.1 METODO RACIONAL MODIFICADO

Es el método racional según la formulación propuesta por Témez (1987,

1991) adaptada para las condiciones climáticas de España. Y permite

estimar de forma sencilla caudales punta en cuencas de 51 y con tiempos

de concentración (Tc) de entre 0.25 y 24 horas, la fórmula es la siguiente:

drenaje naturales con áreas menores de 770 km2ycon tiempos de

concentración (Tc) de entre 0.25 y 24 horas, la fórmula es la siguiente:

Q = 0,278 CIAK (29)

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Bibliografía:

- AASHTO Model Drainage Manual. Washington, D.C., pp. 1368, 1991.

- Bridge Aesthetics Around the World. TRB, National Research Council, Washington, D.C., 1991

Paginas Web:

- http://www.imt.mx/archivos/Publicaciones/PublicacionTecnica/pt141.pdf

- http://www.mopc.gov.py/mopcweb/pdf/1278/anexo%20a4%20 %20et%20hidrologia%20e

%20hidraulica.pdf

- http://www.iatasa.com/Web/uploads/documentos/anexos/anexo_9.pdf

- http://www.politeknikoa.ehu.es/p233

content/es/contenidos/informacion/06/es_grado/adjuntos/18867.pdf

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http://www.politeknikoa.ehu.es/p233%20content/es/contenidos/informacion/06/es_grado/adjuntos/18867.pdf

http://www.politeknikoa.ehu.es/p233%20content/es/contenidos/informacion/06/es_grado/adjuntos/18867.pdf

trabajo completo hidrologia e hidraulica en proyectos carreteros

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