ESTUDIO HIDROLOGICO

EDINSON NAGLES VERGARA INGENIERO CIVIL ESPECIALISTA EN MANEJO INTEGRADO DEL RECURSO HIDRICO

[email protected]

Cel. 321 815 5458, Cll 10 Barrio el Silencio Quibd Choc

ESTUDIO HIDROLOGICO PARA EL PROYECTO: CONSTRUCCION DE UNA CANCHA DE FUTBOL EN EL CORREGIMIENTO DE LA TOMA, DEL

MUNICIPIO DE CERTEGUI, DEPARTAMENTO DEL CHOCO, OCCIDENTE. 1 OBJETIVOS Y ALCANCES

1.1 OBJETIVO.

El estudio hidrolgico es determinar los caudales de diseo de las corrientes naturales que cruzan la Cancha de Futbol. Con estos caudales, se proyectarn las obras hidrulicas, que garanticen la evacuacin de las aguas de escurrimiento que llegan a la Cancha de Futbol para que no la afecten durante la vida til del proyecto.

1.2 ALCANCES.

El estudio hidrolgico tiene como objetivos especficos:

1. Identificar todos los cuerpos y cursos de agua que cruzan la Cancha de Futbol.

2. Determinar las cuencas de los ros, quebradas y dems corrientes de agua que

cruzan la Cancha de Futbol, calculando para cada uno de stas el rea de drenaje de las mismas.

3. Cuantificar los caudales mximos instantneos para las corrientes que cruzan la

Cancha de Futbol, con el fin de conocer el comportamiento hidrolgico de las mismas.

En relacin con caudales mximos de todas las corrientes en el sitio de cruce de la Cancha

de Futbol, se evaluar esta variable hidrolgica, para perodos de retorno que sean

variables, adecuados con la magnitud de la obra.

Los estudios hidrulicos tienen como alcance la verificacin de las estructuras de drenaje para un adecuado drenaje de la calzada.

La revisin o definicin del diseo hidrulico de las obras menores para drenar concentraciones de agua en otros puntos alrededor de la Cancha de Futbol se llev a cabo con base en inspecciones de campo.

Finalmente, se verificaron y definieron los diseos de cunetas, para complementar el adecuado drenaje de la Cancha de Futbol. Adicionalmente, se verificaron y definieron los subdrenes (filtros) con el fin de captar aguas de escorrenta subsuperficial y subterrnea sobre cortes del terreno que pudieran afectar la estructura misma de la via.


[email protected]


1.3 LOCALIZACIN DEL CANCHA DE FUTBOL

La Cancha de Futbol se encuentra en el permetro urbano de la corregimiento de la Toma del municipio de Certegui, departamento del Choc. (Ver fotografia 1).

2.1 RECOPILACIN DE INFORMACIN.

2.1.1 INFORMACIN HIDROCLIMATOLGICA.

En el IDEAM, se recopilaron los datos climatolgicos, incluyendo las lluvias mximas en 24 horas y caudales mximos instantneos de las estaciones que se relacionan a continuacin, en cuadro No. 2.1.

CUADRO 2.1 RESUEMEN DE ESTACIONES CLIMATOLOGICAS

IDEAM 540570 CP ESTACION- RIO QUITO CERTEGUI 440 N 7656W 16

Para el estudio del corredor se identificaron las estaciones con registros de precipitacin que resultaran representativas del comportamiento de la precipitacin en las cuencas de los drenajes que la Cancha de Futbol atraviesa.

Con base en el anlisis de la informacin climatolgica, la altimetra, las condiciones de cobertura vegetal y las condiciones topogrficas observadas en campo, se realiz una interpolacin de los datos de las estaciones meteorolgicas para el tramo en estudiado el el Cancha de Futbol se encuentra localizado dentro del permetro urbano de la cabecera el


[email protected]


El Cancha de Futbol est ubicado en el permetro urbano de la corregimiento de la Toma del Municipio del Certegui, cuenta la equivalencia del abscisado de diseo geomtrico.

2.2 METODOLOGA Los estudios hidrolgicos se desarrollaron siguiendo la metodologa descrita a continuacin:

Con la informacin cartogrfica recopilada en el IGAC y la topografa de detalle levantada en campo, se definieron y delimitaron las cuencas aferentes a la Cancha de Futbol.

Se determinaron los parmetros morfomtricos de las cuencas (rea, longitud, pendiente).

Con base en la informacin de las visitas de campo se determinaron, la cobertura vegetal, el tipo y uso de suelo.

Se seleccion la informacin de lluvias, mediante el anlisis, la continuidad y la extensin del perodo histrico.

Se caracteriz el rgimen de lluvias con base en los registros de precipitacin mensual.

Se calcularon los caudales mximos para perodos de retorno de 5, 10, 25, 50 y 100 aos en las cuencas aferentes a la Cancha de Futbol, dependiendo del caso especfico (cunetas, alcantarillas, Box Coulvert, pontones y puentes).

Para dichos clculos se utiliz el mtodo racional para las cuencas menores a 1 km2 .

2.3 CARTOGRAFA Para la Cancha de Futbol en estudio se cuenta con cartografa oficial en el IGAC en escala 1:100.000 en de la corregimiento de la Toma del Certegui donde est ubicado la Cancha de Futbol del proyecto, con el apoyo de la topografa de detalle y las visitas de campo se ha complementado la informacin.

Es conveniente anotar solo contamos con planchas IGAC en escala 1:100.000 de reciente publicacin, y la existencia de fotografas areas de la zona es muy limitada, dadas las condiciones de permanente nubosidad que impide la realizacin de vuelos segn nos informaron en el IGAC. Con el fin de subsanar la falta de informacin cartogrfica detallada de la zona, se ha empleado con xito, las herramientas del Google Maps y Google Earth, complementadas con la informacin de GPS tomada durante las visitas de campo. Estas herramientas han permitido identificar con mejor aproximacin las cuencas hidrogrficas cuyos cauces cruzan la Cancha de Futbol en estudio, contando con curvas de nivel cada 20 m que han complementado las planchas 1:100.000 existentes en el IGAC, tambin es de anotar que los metros de pavimento rgido que se van a construir es muy reducido para todo el Cancha de Futbol, por tal motivo se realizara un estimativo para todo el Cancha de Futbol y luego sectorizando el tramo a intervenir.


[email protected]


2.4 CLIMATOLOGA.

Para el anlisis de las condiciones climatolgicas en el rea del proyecto se utiliz la informacin de la estacin del rio quito en el Municipio de Certegui que esta en la zona de influencia para la area de estudio, con informacin disponible de este tipo.

2.4.1 LLUVIAS. 2.4.1.1 LUVIAS MEDIAS.

El ciclo anual de precipitacin se caracteriza teniendo en cuenta un ncleo de precipitacin en la estacin, con promedio anual de precipaciones mximas de 10990 mm, medias de 6488 mm y unas minimas de 188 mm. El rgimen de lluvias para las estacin, es de precipitaciones intensas en los meses de julio, agosto, septiembre y con una media normal para el resto de los mese, con una ligera disminucin de las mismas en el perodo de enero.

En el Anexo 1 - Informacin hidrometeorolgica se presentan los valores totales mensuales de precipitacin.

1200 Pluviograma mensual - Estacin

1000

800

600

MEDIO

MAXIM

MINIM 400

200

0


[email protected]


2.4.1.2 LUVIAS MXIMAS.

Para todo el tramo en estudio, se realiz el anlisis de lluvias mximas para diferentes perodos de retorno a las estaciones, las cuales abarcan completamente la zona, se recopilaron los mximos valores anuales de precipitacin en 24 horas registrada, mediante las distribuciones de probabilidad Gumbel, Lognormal y LogPearson se hicieron ajustes y empleando la prueba de Chi cuadrado se determina cual distribucin de probabilidad presenta mejor ajuste. En el Anexo 2-. Memorias de Clculo y en los cuadros No. 2.3, 2.4, se presentan los valores obtenidos por los diferentes mtodos para perodos de retorno de 5, 10, 25, 50 y 100 aos.

2.4.1.3 GUACERO DE DISEO PARA CLCULOS DE CAUDALES DE CUENCAS MENORES A 1 KM.

Para calcular el aguacero de diseo se analizaron las lluvias mximas en 24 horas para perodos de retorno de 25, 50 y 100 aos de las estaciones empleadas para todo el corredor en estudio. Con base en los datos obtenidos a partir de las curvas IDF, cuyo mtodo de clculo se explica en el numeral 2.4.1.4, se calcularon las curvas de masas de los aguaceros puntuales para duraciones entre 0 y 270 minutos. A continuacin se hace una descripcin ms detallada de la determinacin de hietogramas de lluvia.

2.4.1.3.1 Hietogramas de los Aguaceros Puntuales.

A partir de los datos de las curvas IDF para la estacin se calcularon las curvas de masas de los aguaceros puntuales para duraciones entre 0 y 360 minutos (Cuadro No.2.8), ya que las duraciones tpicas de aguaceros, segn el anlisis realizado en el informe 1, es del orden 4 a 5 horas. Se consideran periodos de retorno entre 25 y 100 aos.


[email protected]



[email protected]


Posteriormente, con base en estas curvas de masas se calcularon los hietogramas de los aguaceros puntuales respectivos, los cuales se presentan en el Cuadro No. 2.9.

Para dar una secuencia ms crtica del aguacero, como es usual en este tipo de anlisis, los incrementos de lluvia de los hietogramas mencionados fueron previamente arreglados de la siguiente manera: el valor ms bajo se coloc en el primer lugar, el segundo valor en orden creciente se coloc en ltimo lugar, el tercer valor en dicho orden se ubic en segundo lugar, el cuarto valor en el penltimo lugar, y as sucesivamente.

El resultado de estos clculos se presenta en el Cuadro No. 2.10 y corresponde con los hietogramas de lluvia puntual de los aguaceros de diseo.

2.4.1.3.2 Hietogramas de los Aguaceros Espaciales.

Los hietogramas de lluvia puntual fueron transformados a hietogramas de lluvia espacial, para tener en cuenta el hecho de la espacialidad de la cuenca y que la precipitacin promedio de un aguacero en una cuenca es menor a medida que aumenta su rea de drenaje. El coeficiente de reduccin de la lluvia, por el tamao del rea de drenaje se ha calculado en primer trmino, de acuerdo con las ecuaciones tomadas del UK Flood Studies Report Volumen 2, NERC London 1975 extractado de Highway and Urban Hydrology in The Tropics By L.H. Watkinss Pentech Press 1984 que expresan


[email protected]


Por otra parte, al determinar la cantidad de precipitacin a distribuir para cada cuenca en particular, se tiene en cuenta la influencia de la estacin de lluvias ms cercana

Para las cuencas hidrogrficas consideradas como mayores en estos anlisis, se produce un hietograma de lluvia espacial que es el finalmente aplicado para el mtodo del S.C.S como aguacero de diseo.

En el Anexo 1 - Memorias de Clculo se presentan los valores obtenidos, en la respectiva grfica de hietograma de lluvia precipitada y efectiva.

2.4.1.4 CURVAS IDF.

Para la determinacin de las curvas IDF necesarias para el clculo de caudales, se revis la informacin existente en los estudios previos, donde indican que se hicieron anlisis estadsticos convencionales para la estacin con informacin pluviogrfica entre 1993 y 2001, empleando 1 pluviogramas por ao, hallando intensidades de precipitacin con tiempos de duracin determinados: 10, 15, 20 30, 60, 90 y 120 minutos, seleccionando la distribucin Log normal para los ajustes.

Con los datos ajustados a esta distribucin, hallaron las proyecciones de intensidad de precipitacin para diferentes perodos de retorno y graficaron las curvas IDF. Finalmente, comprobaron la bondad de las curvas IDF aplicando relaciones a nivel mundial obtenidas por el Dr. George H. Hargreaves en 1980 y registradas en el Journal de la ASCE de septiembre de 1981. Las curvas presentadas en el Informe 1 de 1996, en la Figura No. 7 se presentan graficadas y ajustadas mediante lneas de tendencia con regresiones con r > 0.975.


[email protected]


Por otra parte, se revis otra metodologa para la formulacin de curvas IDF, empleando la formulacin de Curvas sintticas de Intensidad Duracin Frecuencia para Colombia de Vargas Rodrigo. Universidad de los Andes 1998. La ecuacin definida en el estudio como Nmero 9 para la elaboracin de las curvas IDF es la siguiente:

La zona de proyecto del K0+000 al K0+557, se encuentra en la Regin 3 (Pacfico) segn referencia bibliogrfica enunciada en el prrafo anterior, cuyos parmetros a, b, c, d y e son iguales respectivamente a 3.02, 0.19, 0.58, 0.04 y 0.44. Aplicando estos valores, la ecuacin anterior queda para la regin 3 (Pacfica):

Teniendo en cuenta los datos histricos, el promedio del valor mximo anual de precipitacin diaria en las estaciones es de 179 mm y 174.5 mm, en y el nmero de das de lluvia es 298, 260 das respectivamente.

Con estos valores aplicados a la ecuacin anterior, se calcularon las curvas intensidad - duracin - frecuencia para las mencionadas estaciones, las cuales se presentan en las

Figuras No. 8, No.9 Las curvas IDF sintticas de la estacin, presentan valores similares para intensidades de corta duracin, por ejemplo para 15 minutos y periodo de retorno de 25 aos las curvas deducidas de pluviogramas reportan una intensidad de 180 mm/h, mientras que para las curvas sintticas se obtiene una intensidad de 187.7 mm/h. En el caso de la duracin de 30 minutos y perodo de retorno de 25 aos, se obtiene para las curvas deducidas de pluviogramas una intensidad de 144 mm/h mientras que para las curvas sintticas la intensidad en las mismas condiciones es de 125.6 mm/h. De la misma manera, a medida que aumenta la duracin, las curvas sintticas reportan una notable disminucin de la


[email protected]


intensidad de lluvia.


[email protected]


2.4.2 TEMPERATURA

En la estacin se tiene que a nivel anual multianual presenta una temperatura media de 30.8C, con un valor mximo medio mensual de 32.0C y una temperatura mnima media mensual de 29.0C.

40 35

30

25

20

15

10

5

0

histograma mensual - Estacin

MEDIO

MAXIM

MINIM

33

32

31

30

29

28

27

MEDIO

MAXIM

MINIM

ENER

O

FEB

RER

O

MA

RZO

AB

RIL

MA

YO

JUN

IO

JULI

O

AG

OST

O

SEP

TIE

OC

TUB

RE

NO

VIE

M

DIC

IEM


[email protected]


2.4.3 HUMEDAD RELATIVA.

La humedad relativa del aire en general depende del comportamiento y distribucin de las precipitaciones, la nubosidad y la radiacin solar; por lo tanto, su distribucin en el ao presenta en general un mximo y un mnimo (monomodal), para el rea de los estudios La registra que el valor medio de la humedad relativa del aire es en general bastante alto y constante a lo largo del ao. A nivel anual multianual su valor es igual al 86.0 %, con variaciones mensuales entre 79 y 93%.

96

94

92

90

88

86

84

82

80

MEDIO

MAXIM

MINIM


[email protected]


2.4.4 EVAPORACIN.

120

100

80

60

40

MEDIO

MAXIM

MINIM

20

0

ENER

O

FEB

R

AB

RIL

MA

YO

JUN

IO

JULI

O

AG

O

SEP

T

OC

T

NO

VI

DIC

IE


[email protected]


Este parmetro medido en el evapormetro de tanque clase A del United States Weather Bureau (USWB), presenta en la estacin a nivel anual multianual un valor de 1002.3 mm (2.75 mm por da), con un valor mximo para el mes de agosto de 118.1 mm (4.92 mm por da) y un valor mnimo para el mes de diciembre de 38.4 mm (1.6 mm por da).

2.5 ANLISIS DE CAUDALES.

Para revisar las necesidades de drenaje de la Cancha de Futbol es necesario establecer los caudales de las cuencas que la cruzan, es decir, los que debern manejar las obras de drenaje.

Dichos caudales son funcin del perodo de retorno para el cual se disean las obras. En funcin del tipo de obra y de su importancia, los respectivos perodos de retorno adoptados para las crecientes de diseo son los siguientes:

Cuadro N 2-11 Periodo de retorno Seguro Tipo de Obra

TIPO DE OBRA PERIODO DE RETORNO (AO)

PUENTE L> 12 M 100

PONTONES L< 12 M 50

BOX COULVERT Y ALCANTARILLA 25

CUNETAS 10

Fuente: Open- Channel Hydraulics, Ven Te Chow

Se utilizaron dos mtodos para estimar el caudal de diseo para las obras de drenaje. El mtodo empleado en cada caso fue seleccionado con base en la informacin disponible y los siguientes criterios:

El mtodo racional aplica para cuencas con un rea menor o igual a 1 km2.

2.5.1 MORFOMETRA DE LAS CUENCAS.

Para el tramo en estudio, existe cartografa del IGAC en escala 1:100.000 para el sector entre el K0 + 000 a K0 +557, empleando como apoyo las imgenes del Google Maps como se indic anteriormente, las cuales se utilizaron para calcular los parmetros fsicos de las cuencas. En el Anexo 6. Localizacin de cuencas hidrogrficas, se presenta la delimitacin de las cuencas ms importantes.

Las reas tributarias fueron digitalizadas y medidas en Autocad, al igual que la longitud de los cauces. La pendiente ponderada del cauce principal se calcul de acuerdo con la expresin propuesta por Taylor y Schwarz:

2.5.2 CAUDALES DE DISEO PARA CUENCAS MENORES O IGUALES A 1KM2.

El mtodo racional, permite calcular los caudales mximos para diferentes perodos de retorno, mediante un mtodo matemtico que utiliza las caractersticas hidrolgicas y morfomtricas de cada cuenca, relaciona los caudales de las cuencas en un punto dado con la precipitacin mxima que cae sobre la cuenca.


[email protected]


El mtodo racional propone la siguiente ecuacin:


[email protected]


Para el Factor de Reduccin de la Lluvia Puntual por rea de Drenaje, se tiene en cuenta que en general, la precipitacin para una duracin determinada (es decir, la intensidad promedio) decrece desde el centro de las tormentas, a medida que se incrementa la distancia a partir de este punto. La precipitacin mxima es representativa del centro de las tormentas, por lo cual la precipitacin promedio en la totalidad del rea de drenaje deber ser menor, dependiendo del tamao y forma de la cuenca, de las tormentas histricas registradas y de la localizacin del centro de precipitacin mxima.

El clculo de la reduccin de la precipitacin a medida que se incrementa el rea de drenaje, se hace por medio de curvas de Profundidad rea Duracin, para duraciones determinadas de la precipitacin. Para cada duracin especfica de la precipitacin se analizan las tormentas que tengan cubrimiento grande sobre el rea de drenaje en consideracin, y que sean suficientemente intensas. Posteriormente, se dibujan las isolneas de precipitacin de cada tormenta y por medio de stas se calculan las curvas de profundidad de Precipitacin - rea de drenaje, para cada duracin.

La relacin entre la profundidad de la precipitacin, relacionada a diferentes reas de drenaje, y la precipitacin puntual, definida como el factor de reduccin, se calcula posteriormente para modificar las curvas anteriores.

Finalmente, se calcula la envolvente de las curvas definidas en el paso anterior para cada duracin, la cual define la curva representativa de la relacin profundidad de precipitacin - rea de drenaje de la cuenca.

El coeficiente de reduccin de la lluvia, por el tamao del rea de drenaje se ha calculado en primer trmino, de acuerdo con las ecuaciones tomadas del UK Flood Studies Report Volumen 2, NERC London 1975 extractado de Highway and Urban Hydrology in The Tropics By L.H. Watkinss Pentech Press 1984 que expresan:


[email protected]


En el Cuadro No. 2.12 (Anexo 3), se presenta el factor de reduccin por lluvia espacial calculado de esta manera para las diferentes hoyas hidrogrficas aferentes a la Cancha de Futbol. El coeficiente de escorrenta (C), es la relacin del total del agua precipitada en una cuenca, con el volumen real de la escorrenta despus de descontar las prdidas por almacenamiento, retencin e infiltracin. Para este tramo de la Cancha de Futbol se estim en 0.33, teniendo en cuenta la buena cobertura vegetal predominante en la zona, correspondiente a pastizales con suelos pesados y con pendientes mayores al 7%.

La intensidad de la precipitacin se selecciona para una duracin igual a la del tiempo de concentracin propio de cada cuenca y para el perodo de retorno establecido. Por lo tanto, el caudal calculado corresponder a la creciente con una frecuencia igual a la de la precipitacin con la intensidad seleccionada. Para tiempos de concentracin inferiores a 15 minutos se utiliz la intensidad correspondiente a tiempo de concentracin de 15 minutos, (Ver numeral 2.4.1.4 Curvas IDF).

Para el tiempo de concentracin se realizaron clculos empleando la expresin de Kirpich (U.S. Bureau of Reclamation "Design of Small Dams") la cual se aplica bastante bien a cuencas pequeas y est dada por la siguiente expresin:


[email protected]



[email protected]


Adems, se realizaron estimativos para los tiempos de concentracin aplicando la formula de Bransby-Williams (1) que corresponde a la siguiente formulacin:

En general, para la zona en estudio considerando las caractersticas de las cuencas y los cauces, se adopta la Frmula de Bransby Williams para los estimativos de caudales, ya que los tiempos de concentracin por Kirpich se consideran excesivamente cortos.

2.6 JUSTIFICACIN DE FORMULAS EMPLEADAS. Debido al tamao y forma de la subcuencas artificiales y a que el nico parmetro realmente medible en estos es el rea de drenaje, se utiliz la frmula racional para el clculo de los caudales mximos en cuencas menores a 1 km2. Esta ecuacin ha sido ampliamente utilizada y cumple con los requisitos de sencillez y confiabilidad exigidos. En general este mtodo proporciona en algunos casos valores de caudal del lado de la seguridad respecto a las observaciones reales, pero puede ser aplicado sin inconvenientes en corrientes o reas de drenaje pequeas. . 2.7 APLICACIN DE TEORAS Y MTODOS DE PREDICCIN. Existen varios mtodos para la estimacin de los caudales mximos probables en una cuenca, de los cuales se seleccionaron los siguientes:

Se realiz un anlisis de cuencas que no tienen registros de caudales se utilizan mtodos tericos basados en ecuaciones obtenidas del anlisis hidrolgico de diferentes hoyas hidrogrficas como el mtodo racional que se utiliza para cuencas pequeas, inferiores a 1 km2 y el del Soil Conservation Service SCS para cuencas mayores. Estos mtodos requieren de informacin generalmente disponible como la pendiente, la longitud de los cauces, el rea tributaria, el tipo de suelo y la vegetacin de la cuenca, siendo todas estas variables estimables mediante informacin de campo e informacin secundaria incluida en este informe.

3.2 CONSIDERACIONES GENERALES

En este captulo se presentan la metodologa, anlisis y resultados obtenidos de la definicin de las dimensiones de las obras hidrulicas necesarias para la Cancha de Futbol Quibd El Siete.


[email protected]


El sistema de drenaje debe garantizar el funcionamiento integral, mediante obras hidrulicas que evacuen los caudales de una manera eficaz y rpida. o El dimensionamiento de las obras de drenaje se efectu basado en un funcionamiento aceptando como valor mximo de la relacin Hw/H=1.2, es decir una carga hidrulica equivalente al 20% de la altura de la obra.

Las dimensiones de las obras en el tramo, se determinaron con base en la comparacin entre los caudales de diseo y la capacidad de las obras, para lo cual se consider control a la entrada, con pendientes de fondo mayores al 1%.

Se realiz la evaluacin de capacidad hidrulica de las obras existentes y se determin si la estructura cumpla con los requerimientos para el drenaje de cada cuenca considerada, segn el periodo de retorno. En caso de no cumplir se proyecta una obra de drenaje.

Se revis el diseo geomtrico en planta y perfil, para determinar las obras de drenaje que por cambios en el alineamiento horizontal es necesario construir nuevamente, as como los puntos bajos de obligatorio drenaje que resultaran segn las nuevas condiciones planteadas.

Se realiz el diseo de las cunetas que se deben colocar a lo largo de la Cancha de Futbol, teniendo en cuenta el criterio de longitud mxima para un caudal y pendiente dados.

3.3 HIDRULICA DE LAS OBRAS MENORES Los criterios adoptados para el anlisis y dimensionamiento hidrulico de alcantarillas y box-coulverts se presentan a continuacin:

Las alcantarillas con pendiente supercrtica y flujo de aproximacin de carcter subcrtico (So > Sc) establecen un control hidrulico de entrada; en el caso contrario (So < Sc) existir flujo con control de salida.

El diseo de alcantarillas se realiz con pendiente mnima de 1% que para estas corrientes menores de baja pendiente, forman obras de control hidrulico de entrada.

El dimensionamiento hidrulico se realiz considerando que para el caudal de diseo la lmina de aproximacin era igual a la altura del conducto.

La cabeza de velocidad de la lmina de aproximacin se considera despreciable, comparada con la cabeza de velocidad dentro del conducto.

Igualando energas entre el punto inmediato aguas arriba de la entrada del conducto y la entrada, se establece la siguiente ecuacin:


[email protected]


Desarrollando la ecuacin anterior el Bureau of Reclamation presenta la siguiente ecuacin, aplicable a alcantarillas circulares:

Para el caso de los Box Culvert se estableci como condicin de flujo, segn las caractersticas naturales de las corrientes predominantes en el proyecto, control hidrulico a la entrada y parmetros de evaluacin similar a las alcantarillas circulares. La ecuacin resultante es la siguiente:


[email protected]


Caudales entre 0.1 m3/s y 1.2 m3/s en alcantarillas de 0.90 m de dimetro con pendientes de fondo entre el 1% y 3% y longitudes de 12 m y 15 m, que son las obras tpicas a proyectar en el tramo. Con base en esta informacin, se obtienen profundidades normales, profundidades crticas y velocidades de salida para determinar si las velocidades son erosivas. Este anlisis se hace empleando el software HY-8 V. 7.2 de la Federal Highway Administration (www.fhwa.dot.gov).

Adems, se realiz un anlisis de los box coulvert existentes y proyectados con los caudales de diseo calculados en el estudio hidrolgico, con el fin de verificar la capacidad y comportamiento hidrulico de las obras.

En todos los casos, las alcantarillas al presentar una pendiente superior a la crtica desarrollarn un flujo supercrtico, cuyas profundidades varan con las distancias generando movimientos gradualmente variados.

Los resultados de los anlisis computacionales demuestran que las estructuras nuevas funcionaran a flujo libre con control de entrada y que los caudales transitados bajo la estructura no sobrepasaran la cota clave de la estructura proyectada y, para el caso que sobrepasen estarn bajo el criterio mximo de Hw/H1.2.

A continuacin se incluyen el cuadro No. 3.1 con los resultados de los clculos hidrulicos para una alcantarilla de 0.90 m de dimetro y pendiente del 1%, que me modula un canal en concreto de rea de 0.80*0.80mts.

Como se puede observar, con pendiente de fondo del 1% y caudales de 0.10 m3/s, se tienen velocidades de salida que no se consideran erosivas en el caso de descoles en grama, arcillas, limos y algunos materiales granulares, por consiguiente, aunque en campo se observa en gran cantidad de sitios presencia e roca en los descoles, se deben implementar en los casos en que se verifique en terreno la posibilidad de procesos erosivos, un disipador de energa, para lo cual se presentan dos modelos dentro del plano 10 de 10 que se incluye en este informe, consistentes en pantallas deflectoras y cadas escalonadas.

En el Anexo 5. se incluyen las corridas de verificacin realizadas para las estructuras proyectadas.


[email protected]


En Cuadro No. 3.2 del Anexo No. 3 se presenta la Evaluacin de Obras Hidrulicas se hace un resumen de caudales calculados, obras existentes, obras proyectadas y observaciones de cada una a lo largo del tramo en estudio.

En el Anexo 7. Informe fotogrfico se incluyen detalles de obras en sitios de inters del proyecto.

En el Anexo 8. Inventario de obras de drenaje, se incluyen fotografas en medio magntico de todas las obras inventariadas para el proyecto, as como copia de los registros de campo de cada una de ellas.

3.4 DIMENSIONAMIENTO DE CUNETAS La escorrenta superficial a lo largo de la Cancha de Futbol ser manejada por cunetas. Las dimensiones de estos dispositivos hidrulicos, variarn de acuerdo a la disposicin de los mismos dentro de la geometra de la Cancha de Futbol, la cual se presenta en su mayora en corte a media ladera.

Generalmente, una vez definidas las caractersticas de la Cancha de Futbol en los diferentes sectores se procede a seleccionar los tramos que requieren cunetas para drenaje de la misma, sin embargo, en este proyecto por el tipo de pavimento a emplear y solicitud de los diferentes especialistas que intervienen en los estudios, las cunetas se proyectan a ambos lados de la Cancha de Futbol, sin importar si es un tramo en corte, en cajn, media ladera o terrapln.

Se ha previsto que las cunetas desagen a alcantarillas o por medio de descoles que se extienden hasta un punto donde no causen problemas erosivos a la Cancha de Futbol.

Para el clculo de la cuneta en los tramos de corte, segn la cartografa disponible, el levantamiento topogrfico y lo observado en campo, el ancho del rea aferente se considera del orden de 80 m. Este valor corresponde a la mitad de calzada de proyecto ms el impluvium.

Por facilidad constructiva se adopta la misma seccin para todo el proyecto. La seccin propuesta es de 0.75 m de ancho, 0.20 m de altura con una inclinacin de 3.75H:1V hacia la Cancha de Futbol y bordillo vertical en el talud. (Ver Figura No. 12 y planos de secciones transversales - Volumen II- Estudio de Diseo Geomtrico)


[email protected]



[email protected]


Se calcul el caudal de escurrimiento por el mtodo racional debido a los tamaos de reas tributarias.

El clculo de caudales se realiz mediante la frmula racional, el coeficiente de escorrenta para el tramo del K0 + 000 al K21 + 000 se estima como 0.35, ponderando el coeficiente 0.33 correspondiente a pastizales con suelos pesados con pendientes mayores al 7% (ver referencia bibliogrfica 9). La intensidad de lluvia correspondiente a tiempo de concentracin de 15 minutos (Tc mnimo recomendado para este tipo de estudios) y periodo de retorno de 10 aos de las curvas IDF de la Estacin seleccionada como representativa para la zona del proyecto, la cual para este tramo del K0 + 000 al K21 + 000 corresponde a la estacin de Istmina y condoto, se aclara que se deja la misma estacin para todo el tramo ya que las variaciones en las intensidades para Tr = 10 aos y Tc = 15 minutos no eran mayores a 5 mm/h.

Para el anlisis hidrulico de las cunetas, se adopto como criterio el que su capacidad fuera suficiente para evacuar los caudales aportados por la Cancha de Futbol y por las zonas aledaas que drenan hacia ella, para una lluvia con un periodo de retorno de 10 aos.

El clculo hidrulico del flujo (lmina llena sin borde libre) se hace teniendo en cuenta la ecuacin de Manning para la seccin definida.

Para facilidad en el diseo, se incluyen los Cuadros No. 3.3 (K0 + 000 K21 + 000) donde se indica la longitud mxima entre alcantarillas o descoles para descargar la cuneta de diseo, teniendo en cuenta la pendiente longitudinal de la Cancha de Futbol y las condiciones de precipitacin de los tramos sectorizados.


[email protected]


Finalmente, como criterio de diseo se adopta que en ningn caso en cortes a media ladera o en cajn, se permitirn tramos de cunetas con longitudes mayores a 150 m, evitando tramos excesivamente largos que en algn caso puedan ser interrumpidos por alguna causa, afectando un considerable tramo de la Cancha de Futbol.

En el Anexo No. 4 se presentan las cunetas y filtros proyectados, se incluye un listado que contiene la abscisa inicial, abscisa final, longitud, pendiente, costado de localizacin de cunetas y filtros para el proyecto.

3.5 OBRAS DE CONTROL DE DESCOLES Y ENCOLES. Con el fin de incluir dentro de los diseos hidrulicos, alternativas para el manejo de aguas que por las altas pendientes y tipo de terreno sean susceptibles de erosin en el Anexo 9. Detalles de obras de drenaje, se incluyen planos tpicos de las obras a implementar a lo largo del proyecto, las cuales deben ser adecuadas segn las condiciones particulares de cada sitio.

En el Anexo 14. Diseo de estructuras de vertimiento de aguas en laderas de media a fuerte pendiente, se presenta un aparte de la publicacin que resume la investigacin realizada por el Ingeniero Fernando Meja Fernndez y la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, donde se describen las Normas de diseo del canal de pantallas deflectoras (CPD) y del canal de rpidas con tapa y columpio (CRTC) y se dan los fundamentos tericos del diseo de estas obras. En medio magntico se incluye el documento completo, que corresponde a la referencia bibliogrfica No. 15.

3.6 SUBDRENAJE. Con el objeto de proteger la Cancha de Futbol contra posibles efectos negativos, ocasionados por el flujo de infiltracin proveniente de aportes laterales, se propone la construccin de subdrenes debajo de las cunetas en los taludes de corte a media ladera. Teniendo en cuenta las condiciones particulares de la zona en estudio, se proponen filtros a lo largo de todos los taludes de corte. Estos filtros deben ser de 1.00m de altura por 0.60m de ancho, construidos con material granular de acuerdo con la


[email protected]


norma INVIAS 673 07, la cual


[email protected]


indica que el material drenante deber estar constituido por partculas con tamaos comprendidos entre el tamiz de setenta y cinco milmetros (3) y el tamiz de diecinueve milmetros (3/4), sin requerirse ninguna gradacin especial, permitindose el uso de fragmentos de un solo tamao. Las partculas podrn ser angulares o redondeadas o una combinacin de ellas. A continuacin se presenta el diseo del filtro francs, en el cual se tiene en cuenta el caudal de infiltracin y el caudal por abatimiento del nivel fretico. De acuerdo con las observaciones de campo se estima que este nivel fretico puede subir hasta una cota de - 0.50 m por debajo del nivel de la subrasante. El caudal total aferente al filtro es igual a:

Qf = Qnf + Qinf En donde: o Qf: Caudal aferente al filtro, cm3/s. o Qnf: Caudal por abatimiento del nivel fretico, cm3/s. o Qinf: Caudal por infiltracin, cm3/s.

3.6.1 CAUDAL POR ABATIMIENTO DEL NIVEL FRETICO.

El caudal por abatimiento del nivel fretico es igual a:

Qnf = K i Aa

En donde:

K: Coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente, cm/s. Se selecciona un valor igual a 0.0001 cm/s, correspondiente a un material predominantemente limoso (Tomado de Tabla 1.9. Valores del coeficiente de permeabilidad para varios tipos de suelo. Principios de ingeniera de cimentaciones 5 Edicin. Ed. Thompson, Braja). Podra ser posible que el suelo que drena el filtro sea ms impermeable, pero por seguridad (mayor valor de K) se toma este valor.

i: Gradiente hidrulico, m/m. Aa: rea efectiva aferente al filtro para el caso de abatimiento del nivel fretico,

cm2

i = (Nd Nf)/B

En donde:

Nd: Cota inferior del filtro necesaria para que el nivel fretico no sobrepase la subrasante, m. Se define un valor igual a 1.00 m, congruente con la altura del filtro.

Nf: Cota superior del nivel fretico. El nivel fretico en algunos sectores

Puede encontrarse muy superficial. Tomar 0.50 m por debajo del nivel actual del terreno.

B: Ancho de la semibanca de la Cancha de Futbol, m. Se toma un valor igual a 3.50 m (350 cm) De esta manera:

i = (1.0 0.5)/3.50 = 0.143 m/m


[email protected]


Adems:

Aa = (Nd Nf) L

En donde:

L: Longitud mxima de recorrido del filtro entre cajas de desfogue, cm. Se selecciona un valor igual a 100 m (10000 cm), correspondiente a la longitud de tramos entre alcantarillas y obras de drenaje que tiene la Cancha de Futbol.

Aa = (1.00 - 0.50) * 100 m= 50.0 m2 = 500000 cm2

Finalmente:

Qnf = 0.0001 cm/s x 0.143 m/m x 500000 cm2 = 7.15 cm3/s 3.6.2 CAUDAL POR INFILTRACIN.

El caudal por infiltracin es igual a:

En donde:

Qinf = IR B L Fi FR

IR: Precipitacin mxima horaria de frecuencia anual registrada en la zona de proyecto. Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120 min, y se escoge la curva de 5 aos. Para la zona del proyecto, por seguridad se toma IR = 88.0 mm/h, correspondiente a la estacin de Istmina y condoto, un tiempo igual a 60 min y un periodo de retorno de 5 aos. Este valor es igual a 0.0024 cm/s.

B: Ancho de la semibanca de la Cancha de Futbol, m. Es igual al ancho de la Cancha de Futbol dividido por 2.0. Para el ancho de la Cancha de Futbol de 7.0 m, B resulta igual a 3.5 m (350 cm).

L: Longitud del tramo de drenaje, cm. Se selecciona un valor igual a 100 m (10000 cm), correspondiente a la longitud promedio entre alcantarillas y obras de drenaje que tiene la Cancha de Futbol.

Fi: Factor de infiltracin, dependiente del tipo de carpeta de la Cancha de Futbol. Igual a 0.67 para carpetas de concreto de cemento portland.

FR: Factor de retencin de la capa granular. Refleja el hecho de que la capa granular, dada su permeabilidad, entrega lentamente el agua al filtro. Igual a 1/3 para bases de gradacin abierta, en servicio 5 aos o ms.

De esta manera, se tiene:

Qinf = 0.0024*350*10000*0.67*(1/3) = 1857.2 cm3/s

3.6.3 CAUDAL TOTAL AFERENTE AL FILTRO. El caudal total aferente al filtro resulta igual a:

Qf = 2Qnf + Qinf


[email protected]


Entonces:


[email protected]


Qf = 2*7.15 + 1857.2 = 1871.5 cm3/s = 1871.5 l/s

Dimensionamiento de la Seccin Transversal Teniendo el caudal total aferente al filtro Qf, se realiza el siguiente procedimiento, teniendo en cuenta la siguiente ecuacin:

Qf = V i A En donde: Qf: Caudal total aferente al filtro, cm3/s. V: Velocidad de flujo dentro del filtro, la cual depende de la pendiente longitudinal y del tamao del agregado usado en el filtro, cm/s. De acuerdo con la Figura No. 3 del Captulo No. 5 de la referencia bibliogrfica (13). Se tiene material de grava para el filtro. Entrando con una pendiente del 1 %, y tamao de agregado promedio de se obtiene una velocidad de 0.313 cm/s.

De esta manera, A es igual a:

A = Qf / V i

A = 1871.5 cm3/s / 0.313 cm/s = 5980 cm2 = 0.598 m2 Adems:

A = H B'

Y:

B' = A/H En donde:

H: Altura del filtro, m.

B': Ancho del filtro, m.

Entonces:

B' = 0.598/1.0 = 0.598 m Entonces la seccin transversal del filtro ser de 100 cm x 60 cm (1.00 m x 0.60m), medido por debajo de cuneta de la Cancha de Futbol. Esta seccin es eficiente para abatir este caudal generado por subida del nivel fretico y por caudal de infiltracin.

El material de relleno estar constituido por partculas con tamaos comprendidos entre el tamiz de setenta y cinco milmetros (3) y el tamiz de diecinueve milmetros (3/4), sin requerirse ninguna gradacin especial, permitindose el uso de fragmentos de un solo tamao. Por otro lado, el material del geotextil que conforma el filtro ser geotextil NT 3000 Pavco o similar. La longitud de desarrollo del geotextil en su seccin transversal corresponde al permetro ms el traslapo, que ser de 0.25 a 0.35 m. En la entrega a las cajas de las alcantarillas, dentro del filtro se colocar una tubera perforada PAVCO o similar de dimetro 160 mm, longitud 5 m.


[email protected]


En Cuadro 3.5 del Anexo No. 4 Cunetas y filtros proyectados se incluye la localizacin de filtros para el proyecto y en el Anexo 2 Memorias de Clculo se incluyen los clculos realizados para determinar las dimensiones de los filtros.

EDISON NAGLES VERGARA Ingeniero Civil Especialista en manejo integral de recursos hdricos

ESTUDIO HIDROLOGICO

Documents

Transcript of ESTUDIO HIDROLOGICO