CONTENIDO
ESTUDIO HIDROLOGICO e HIDRAULICO - PUENTE WEQWES OCUMARITUC -
LLAMPUYACU
CARRETERA HUANACOPAMPA MONTECHACA VILLA AURORA
CONSULTOR: Ing. Joel Ore Iwanaga
e-mail: [email protected]
1. RESUMEN:En el presente estudio se realiza el anlisis
hidrolgico de las Cuencas: Quebrada Weqwes, Quebrada Llampuyacu y
Ocumariyuc, para drenar sus aguas hacia el ro Huarccamayo, a travs
de estructuras hidrulicas que no impidan el normal funcionamiento
de la CARRETERA HUANACOPAMPA MONTECHACA VILLA AURORA, para la cual
se utiliza las curvas IDF, de las ecuaciones del convenio IILA
SENAMHI UNI, desarrolladas para duraciones de lluvia menores a 3
horas, considerando diferentes periodos de retorno (50 y 100
aos).
As mismo se construye el Hietograma de diseo mediante el mtodo
de bloques alternos propuesto por V.T. Chow, y luego para la
transformacin se hace uso del hidrograma adimensional del SCS,
mediante el programa HEC-HMS.
Tambin el estudio contempla el anlisis hidrolgico para el diseo
hidrulico de alcantarillas y badenes, los mismos que se disearon
utilizando las ecuaciones regionales del IILA SENAMHI UNI,
coeficientes de escorrenta de la zona, programas Flow Master y
Hydroculv.
2. CARACTERISTICAS DE LAS CUENCAS EN ESTUDIO:
2.1 Quebrada Weqwes.El punto de aforo de la quebrada Weqwes
(construccin del Puente), se encuentra ubicado a una latitud de
1383 y una longitud 7332. Adems presenta las siguientes
caractersticas, obtenidas de la carta nacional, para el rea de
estudio:
rea de la cuenca de drenaje: 39.18 Km2
Longitud del curso principal: 10.73 Km.
Altitud ms alta (inicio del curso principal): 3580 msnm.
Altitud ms baja (punto de aforo): 1827.94 msnm.
Tiempo de concentracin: 49.73 minutos.
2.2 Quebrada Llampuyacu.
El punto de aforo de la quebrada Llampuyacu (construccin de la
estructura hidrulica), se encuentra ubicado a una latitud de 1392 y
una longitud 7325. Adems presenta las siguientes
caractersticas:
rea de la cuenca de drenaje: 5.90 Km2
Longitud del curso principal: 3.72 Km.
Altitud ms alta (inicio del curso principal): 2400 msnm.
Altitud ms baja (punto de aforo): 1701.38 msnm.
Tiempo de concentracin: 20.84 minutos.
2.3 Quebrada Ocumariyuc.
El punto de aforo de la quebrada Ocumariyuc (construccin de la
estructura hidrulica), se encuentra ubicado a una latitud de 1355 y
una longitud 7347. Adems presenta las siguientes
caractersticas:
rea de la cuenca de drenaje: 3.29 Km2
Longitud del curso principal: 2.23 Km.
Altitud ms alta (inicio del curso principal): 3150 msnm.
Altitud ms baja (punto de aforo): 2075 msnm.
Tiempo de concentracin: 9.78 minutos.
3. METODOLOGIA PROPUESTA:
Se propone la siguiente metodologa de trabajo:
Para el desarrollo de los clculos correspondientes a la obtencin
de los hidrogramas de mximas avenidas en cada una de las cuencas de
las Quebradas en anlisis, se ha desarrollado el siguiente
procedimiento:1. Mediante la metodologa propuesta por el Convenio
de Cooperacin Tcnica: IILA SENAMHI UNI, se ha procedido a construir
las curvas IDF para duraciones menores a tres horas utilizando la
ecuacin de Talbot, mediante un ajuste de mnimos cuadrados, para
periodos de retorno de 50 y 100 aos. (Ver Anexo).
2. Elaboracin de graficas de Precipitaciones de diseo para
duraciones menores de 3 horas, utilizando las ecuaciones planteadas
por el IILA SENAMHI UNI, para periodos de retorno de 50 y 100 aos
(Ver Anexo).
3. Elaboracin del Hietograma de tormenta de diseo para un
periodo de retorno de 50 y 100 aos, mediante el mtodo de bloques
alternos (Ver Anexo).
4. La metodologa para el estudio de hidrologa de avenidas de las
cuencas Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, est fundamentada en el uso
de un modelo determinstico- conceptual para la conversin de
precipitacin en escurrimiento, usando el modelo HEC-HMS del Cuerpo
de Ingenieros de los Estados Unidos (U.S. Army Corps of Engineers,
2000), el mismo que servir para obtener los hidrogramas de mximas
avenidas. Considerando para la transformacin precipitacin
escorrenta, lo siguiente:
Tasas de Perdidas: - Metodo Perdida inicial - Tasa
constante.
La conversin de precipitacin a escurrimiento se efectu
mediante:
Mtodo Hidrograma unitario del SCS.
Se hizo uso del Hietograma de diseo encontrado en el punto 3,
para las dos cuencas analizadas.
4. HIDROGRAMAS DE MAXIMAS AVENIDAS:
Para construir los hidrogramas de mximas avenidas en las cuencas
de inters seleccionadas se proceder de la siguiente manera:
4.1 Calculo del Hietograma de precipitacin de diseo.
Este hietograma ser construido mediante el mtodo del bloque
alterno (Chow 1994), para aplicar dicho mtodo, primero se obtendr
las intensidades mximas presentadas en la regin de Ayacucho,
mediante las ecuaciones propuestas por el IILA SENAMHI UNI para
periodos de retorno de 50 y 100 aos, cuyas ecuaciones regionales de
recurrencia son las siguientes:
Para duraciones menores a 03 horas:
En el Anexo se presentan los resultados obtenidos aplicando la
ecuacin de Talbot junto con el mtodo de mnimos cuadrados y
finalmente la construccin de la Curva IDF.
En la Tabla 01 se presenta el resumen de las ecuaciones
obtenidas mediante las formulas de Talbot para diferentes periodos
de retorno para las cuencas de Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc para
duraciones menores a 3 horas:
TABLA 01: Ecuaciones para las curvas IDF en funcin de las
intensidades, duracin (menores a 03 horas) y tiempo de retorno.
Tr (aos)AbEcuacin
502148.61955.904
1002333.03555.904
D : duracin en minutos.
Las Figuras del anexo muestran las curvas IDF para las quebradas
Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, para duraciones menores a 03 horas
dado a partir de las ecuaciones del IILA SENAMHI UNI y la formula
de Talbot.
Para construir el hietograma de diseo, mediante el mtodo de los
bloques alternos, se hace uso de las curvas IDF, encontradas para
periodos de retorno de 50 y 100 aos, considerando un tiempo total
de duracin de lluvia efectiva de 03 horas, desde las 15:00 horas
hasta las 18:00 horas. El hietrograma de diseo fue calculado en
intervalos de tiempo de 20 minutos, habiendo considerado la fecha
del evento mximo el da 12 de Diciembre de 1998 (Evento Extremo -
Fenmeno del Nio). En las Tablas presentadas en el Anexo se muestran
los clculos mediante el mtodo del bloque alterno para periodos de
retorno de 50 y 100 aos.
Calculo de los hidrogramas de avenida de diseo.
Para el clculo de los hidrogramas de diseo, se har uso del
programa HEC HMS (USACE 2001), para cada una de las Cuencas de las
quebradas Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, realizando el siguiente
procedimiento:
Calculo de las tasas de perdidas:
Para el clculo de las tasas de perdidas se utiliza el mtodo de
Perdida Inicial - Tasa Constante desarrollado en el programa HEC -
HMS:
Perdida inicial y tasa constante: Para este mtodo el SCS (Soil
Conservacin Service 1986) sugiere que el rango de perdida inicial
se encuentre dentro del orden del 10 20% de la lluvia total para
reas forestadas y de 0.1 0.2 pulgadas para reas urbanas [05] y [06]
De igual forma para calcular la tasa de perdida constante, la misma
que puede ser considerada como la capacidad de infiltracin ultima
del suelo. El SCS (1986) clasifico los suelos sobre la base de esta
capacidad de infiltracin y Skaggs y Khaleel (1982) publicaron
estimados de tasas de infiltracin para estos suelos. [05] y [06].
Cabe mencionar que las tasas de perdidas para las tres cuencas
adyacentes unas a otras, presentan de acuerdo a la zona una tasa
inicial de perdida igual a 4.00 mm y tasa constante igual a 2.00
mm/hr.
Transformacin de precipitacin en escorrenta:
El modelo utilizado para encontrar finalmente el hidrograma de
escorrenta, ser el mtodo del Hidrograma adimensional del Soil
Conservacin Service,
para este mtodo se hace necesario contar con las siguientes
ecuaciones de clculo:
donde:
: caudal (m3/s.cm)
A : rea de la cuenca (Km2)
C : constante de conversin (2.08 en el Sistema
Internacional)
: Tiempo de ocurrencia del pico (min)
donde: : duracin de la lluvia efectiva (min)
: tiempo de retardo (min)
Se considera:
donde: : tiempo de concentracin (min)
Tambin se recomienda que el intervalo computacional sea menor
que 29% del tiempo de retardo (HEC - HMS [05] Y [06]
Para obtener los hidrogramas de mximas avenidas se ha
considerado extender el tiempo de duracin de lluvia en dos horas
mas, es decir desde
las 15:00 horas hasta las 20 horas del da 12 de Diciembre de
1998 (Hietograma de diseo)
Tr = 50 aos Cuenca Weqwes
Tr = 100 aos Cuenca Weqwes Tr = 50 aos Cuenca Llanpuyacu Tr =
100 aos Cuenca Llanpuyacu Tr = 50 aos Cuenca Ocumariyuc Tr = 100
aos Cuenca Ocumariyuc La vida til de la estructura hidrulica
(Puentes) se asume en 50 aos, tomado en cuenta aspectos
hidroeconomicos.
El resumen de los caudales para periodos de retorno de 50 y 100
aos, tomando en cuenta el riesgo de falla y la seguridad de la
estructura, se muestra en la siguiente Tabla.
CAUDALES DE DISEO
TrVIDA UTIL
(aos)RIESGO DE FALLA DEL PUENTECaudal de diseo (m3/s) Mtodo
SCS
WeqwesLlampuyacuOcumariyuc
505063.58154.4338.7721.98
1005039.50172.3042.9124.18
5. HIDRAULICA
5.1 GENERALIDADES
En este capitulo se analizar las secciones transversales de los
tres puentes, las mismas que han sido ingresadas en el programa
GSTARS, y permitir observar las principales caractersticas
hidrulicas del tramo en estudio. Las secciones transversales se
presentan en el anexo, al final de la investigacin.
El coeficiente de rugosidad fue estimado teniendo en cuenta la
visita realizada por el Consultor a la zona de estudio, la misma
que corresponde a: 0.070.
Los caudales presentados en cada una de las cuencas de las
quebradas, se transitaran a travs de la lnea del talweg, obteniendo
finalmente las alturas en las diferentes secciones transversales,
as como en la ubicacin de los puentes, para un periodo de retorno
de 50 aos.
5.2 DETERMINACION DE MAXIMOS NIVELES A PARTIR DEL PERIODO DE
RETORNO DE DISEO.
Los mximos niveles a que alcanza el agua, cuando transita los
caudales de mximas avenidas a travs de cada uno de los tres
puentes, se muestra en el anexo: Secciones trasversales y perfiles
de superficie libre de agua para diferentes tiempos (Programa
GSTARS)
En el Anexo tambin se muestra los resultados de la simulacin
hidrulica, en la cual se puede notar, la cota de elevacin del agua
en diferentes secciones transversales, velocidad del flujo, numero
de froude, para diferentes caudales, obtenidos a partir de los
hidrogramas de mximas avenidas.
5.3 DETERMINACION DE LA ALTURA DE LOS ESTRIBOS.
Teniendo en cuenta los caudales de diseo, para los tres puentes
y obtenida la simulacin hidrulica mediante el programa HEC HMS, se
encuentra la altura de los estribos:
PUENTECAUDAL DE DISEONAMEALTURA DE ESTRIBOSALTURA TOTAL DE
ESTRIBOS + SOCAVACION
WEQWES154.431825.793.505.5
LLAMPUYACU (*)38.771568.026.008.00
OCUMARIYUC21.981574.312.504.50
(*) Para la determinacin de la altura del Puente Llampuyacu, se
ha tomado en cuenta el nivel de la cota de rasante de la
carretera.
6. DETERMINACIN DE LA SOCAVACION
6.1 CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL
El objetivo consiste en calcular la erosin mxima general que se
puede presentar en una seccin al pasar una avenida con el gasto de
diseo mostrado en la tabla anterior, para cada uno de los puentes,
los cuales tienes un periodo de retorno de 50 aos.
Para la determinacin de la socavacin general se presenta el
criterio propuesto por Lischtvan Lebediev, el cual presenta la
siguiente ecuacin:
Donde:
;
: dimetro medio (mm) de los granos de fondo.
Donde:
(Tirante medio de la seccin)
: Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la
avenida en estudio y cuyos valores se encuentran en la Tabla.
u : Coeficiente de contraccinLos resultados de socavacin
general, para las tres quebradas, obtenidos mediante el mtodo de
Lischtvan Lebediev se presentan en el Anexo, para la profundidad
mxima en la lnea del talweg, para el periodo de retorno de 50 aos.
Se considera por seguridad una socavacin igual a 2 m, teniendo en
cuenta que son quebradas de fuerte pendiente, presentando entre su
granulometra bloques de piedra de hasta 2.00 m. Los resultados en
forma independiente de las secciones transversales donde se
instalaran los puentes se presentan en el anexo, obtenidos mediante
el programa Flow Master, donde se muestra el nivel mximo a que
alcanza el agua en pocas de avenidas.
6.2 DETERMINACIN DE LA SOCAVACIN LOCAL EN LOS ESTRIBOS DEL
PUENTE.MTODO DE FROEHLICH
Donde:
Profundidad de socavacin en m
Profundidad promedio del flujo sobre la inundacin de planicie en
la seccin de aproximacin.
Factor de correccin por la forma del estribo.
Factor de correccin por el ngulo de ataque () del flujo.
Longitud del flujo activo obstruido por el estribo.
Numero de Fraude del flujo en la inundacin de planicie en la
seccin de aproximacin.
FACTOR DE CORRECCION POR LA FORMA DEL ESTRIBO, K1
Con respecto al calculo de socavacin local, estos no se
presentan, debido a la configuracin del lecho, en el mismo que se
presentan bloques grandes de piedras, alcanzando hasta un dimetro
de 2.00 m, producto de las pendientes pronunciadas que presentan
los cauces (Llampuyacu 34%, Weqwes 16.12%, Ocumariyuc 15.29%).
Estos bloques de piedra sirven como grandes disipadores de energa,
no presentndose una socavacin local propiamente dicha.
6.3 CAUCE DE EQUILIBRIO DEL RIO TEORIA DEL REGIMEN.1. El lecho
de los cauces estn acorazados y presentan pendientes pronunciadas,
hasta del orden de 34%, por lo que no se considera aplicable la
teora del rgimen, y para definir la Luz del puente se tendr que
considerar un factor de seguridad sobre el nivel alcanzado por el
caudal de mximas avenidas de diseo. Estos niveles mximos alcanzados
para los caudales de mximas avenidas, se muestran en los planos
respectivos.
7. DISEO HIDRULICO DE ALCANTARILLAS.
Se propone la siguiente metodologa de trabajo para el estudio
hidrolgico de las alcantarillas:
Ser necesario contar con los datos de precipitacin de 24 horas
de la estacin hidrometeorologica Pampa del Arco, la misma que tiene
caractersticas similares a la zona de estudio y presenta una cota
topogrfica similar.
Se utilizara las distribuciones probabilsticas de Gumbel y Log
Pearson, para encontrar las precipitaciones de diseo en funcin a
diferentes periodos de retorno.
Construccin de las curvas IDF, para diferentes periodos de
retorno, mediante el mtodo del IILA SENAMHI UNI.
Luego del anlisis probabilistico, se concluye que ambas
distribuciones probabilsticas se ajustan a la serie histrica de
datos, para un nivel de significacin de 0.05 (95% de probabilidad
de ocurrencia), mediante la prueba de Smirnov Kolmogorov.
Los tiempos de concentracin presentados en las cuencas de las
quebradas de drenaje a travs de la carretera poseen tiempos de
concentracin pequeos, menores a 15 min, resultando en intensidades
de diseo variables para un periodo de retorno igual a 20 aos, para
el diseo de las alcantarillas.
As mismo mediante la ayuda del programa Hydroculv, se ha
obtenido los perfiles de la superficie libre del agua para ambos
tipos de alcantarillas I, II. As mismo tambin se muestran las
velocidades para diferentes secciones transversales de la
alcantarilla (Long. = 4.00 m)En el Anexo se muestra en detalle el
anlisis tpico para una alcantarilla de seccin circular de 24 y 36,
mediante el programa Hydroculv. Como se puede notar de los clculos,
la superficie libre de agua no supera la cota de la clave de la
alcantarilla en ningn caso (Tipo I y II)
Para el diseo de las alcantarillas se ha considerado un rango de
caudales: 0.06, 0.08, 0.10, 0.12 y 0.15 m3/s, como rango de
caudales posibles a presentarse en las alcantarillas.
As mismo en los planos respectivos, se muestra en detalle las
secciones transversales de las Alcantarillas Tipo I, II.
8. DISEO HIDRULICO DE BADENES.Para el diseo hidrulico de
badenes, se sigue el mismo procedimiento descrito para
alcantarillas.
Mediante el programa flow master se ha obtenido la cota de
mximas avenidas, la misma que se encuentra contenida dentro de los
badenes, tanto de 18 m, como de 25 m de luz (Ver Anexo).
9. CONCLUSIONES.1. El caudal de mximas avenidas de las 03
Quebradas, para un periodo de retorno de 50 aos, obtenido mediante
el programa HEC HMS, segn la metodologa propuesta es:
PUENTE WEQWES: Q = 154.43 m3/s
PUENTE LLAMPUYACU: Q = 38.77 m3/s
PUENTE OCUMARIYUC: Q = 21.98 m3/s
2. La luz de los Puentes, recomendada desde un punto de vista
hidrulico es igual a:
PUENTE WEQWES: L = 18.00 m.
PUENTE LLAMPUYACU: L = 15.00 m.
PUENTE OCUMARIYUC: L = 10.00.
3. La altura de los estribos de los tres puentes, incluyendo la
altura de socavacin, corresponde a:
PUENTE WEQWES: AE = 5.50 m.
PUENTE LLAMPUYACU: AE = 8.00 m.
PUENTE OCUMARIYUC: L = 4.50 m.
4. Tomando en cuenta el caudal de diseo para los tres puentes y
del calculo presentado en el Anexo, se asume por seguridad la
socavacin generalizada igual a 2.00 m.
La altura de socavacin total de 2.00 m prev tambin posibles
problemas de socavacin local que puedan presentarse, a lo largo de
la vida til de los tres puentes).
5. Los niveles mximos alcanzados de la superficie libre del agua
se presentan a continuacin en la siguiente Tabla para diferentes
periodos de retorno:
PuenteAltura del nivel mximo de agua sobre la lnea del talweg
(m)Altura libre sobre el nivel del agua hasta las vigas del
puente
WEQWES1.831.67
LLAMPUYACU (*)2.004.00
OCUMARIYUC0.941.56
La altura libre se consider, tomando en cuenta el nivel de
rasante de la carretera.
6. Es necesario tomar en cuenta las alas de ambos estribos,
considerando un ngulo de 45 con respecto a la direccin del
flujo.
7. Para el diseo de las alcantarillas se consider u periodo de
retorno de 20 aos, y tiempos de concentracin menores a 15 minutos,
haciendo uso de las curvas IDF, para la obtencin de las
intensidades mximas de diseo, se llego finalmente a fijar que se
consideraran, para el presente caso dos tipos de alcantarillas I y
II, 24, 36 respectivamente.
8. El anlisis hidrulico para el diseo de badenes, se realizo, de
igual forma considerando las curvas IDF, y los tiempos de
concentracin menores a 15 minutos y un periodo de retorno igual a
20 aos. EL diseo hidrulico de badenes mediante el programa Flow
Master, considero la inclusin de dos tipos de badenes I, II, 18 y
20 m, respectivamente.
10. BIBLIOGRAFIA:
[01] VEN TE CHOW, Hidrologa Aplicada, Mc. Graw Hill, 1994.
[02] MANUEL GOMEZ VALENTIN, Datos de lluvia en zona urbana, Dep.
de Ingeniera Hidrulica, Martima y Ambiental. UPC, 2001.
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[05] US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center
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March 2000.
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[07] USDA SCS, Urban Hydrology for small watersheds, engineering
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[08] PONCE, VICTOR MIGUEL., Engineering Hydrology: Principles
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[09] CONVENIO DE COOPERACIN TCNICA: IILA, SENAMHI, UNI, Estudio
de la Hidrologa del Per, Volumen III, Estudio de Avenidas,
1983.
EMBED Excel.Sheet.8
- 15 -
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_1727441618.unknown
_1727441741.unknown
_1727441838.xlsHoja1
Probabilidad Annual(%) de queCoeficienteVelocidad media
enLongitud libre entre las dos pilas
se presente el gasto de diseola seccion (m/s)10131618
100.000.77Menor de 11.001.001.001.00
50.000.821.000.960.970.980.98
20.000.861.500.940.960.970.97
10.000.902.000.930.940.950.96
5.000.942.500.900.930.940.95
2.000.973.000.890.910.930.94
1.001.003.500.870.900.920.93
0.301.034 o mayor0.850.890.910.92
0.201.05
0.101.07
Factor de correccion por la forma del diqueK1
Pared vertical del estribo1.00
Pared vertical del estribo con aleros0.86
Hoja2
Hoja3
MBD000CBF00.unknown
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