Municipalidad Distrital de Echarati Estudio Hidrológico e Hidráulico de “Construcción Puente Carrozable Palmeiras II sobre el rio Palmeiras” CAPITULO I: GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN La presente investigación tiene como objetivo principal el dimensionamiento de la estructura de cruce de un puente carrozable que comunica a las localidades de Palmeiras y Kuviriari, que cruza el río Palmeiras, para lo cual será necesario realizar el análisis hidrológico (Simulación Hidrológica) de la cuenca hidrográfica del rio Palmeiras hasta el punto de aforo que debe ser el lugar donde cruza el puente carrozable que viene a ser la progresiva 0+167.46 del eje del rio Palmeiras, pero para efectos de análisis del presente estudio de hidrología, se tomó como área de influencia del proyecto, desde la progresiva 0+000 hasta la progresiva 0+222.26, haciendo un total de 222.26 ml. Para la determinación del Caudal de Máximas Avenidas se utilizará el método del Hidrograma Unitario Sintético desarrollado por Soil Conservation Service (SCS) y es utilizada para cuencas mayores a los 10 km 2 . Se han obtenido las secciones transversales del cauce del río, perpendiculares a línea del Thalweg. Las secciones transversales del Río Palmeiras serán utilizadas para realizar la simulación hidráulica mediante el programa HEC-RAS 3.1.1, y encontrar los niveles máximos sobre el Thalweg en cada una de las secciones.
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Municipalidad Distrital de Echarati
Estudio Hidrológico e Hidráulico de “Construcción Puente Carrozable Palmeiras II sobre el rio Palmeiras”
CAPITULO I: GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN
La presente investigación tiene como objetivo principal el dimensionamiento de
la estructura de cruce de un puente carrozable que comunica a las localidades
de Palmeiras y Kuviriari, que cruza el río Palmeiras, para lo cual será necesario
realizar el análisis hidrológico (Simulación Hidrológica) de la cuenca hidrográfica
del rio Palmeiras hasta el punto de aforo que debe ser el lugar donde cruza el
puente carrozable que viene a ser la progresiva 0+167.46 del eje del rio
Palmeiras, pero para efectos de análisis del presente estudio de hidrología, se
tomó como área de influencia del proyecto, desde la progresiva 0+000 hasta la
progresiva 0+222.26, haciendo un total de 222.26 ml.
Para la determinación del Caudal de Máximas Avenidas se utilizará el método del
Hidrograma Unitario Sintético desarrollado por Soil Conservation Service (SCS) y
es utilizada para cuencas mayores a los 10 km2.
Se han obtenido las secciones transversales del cauce del río, perpendiculares
a línea del Thalweg. Las secciones transversales del Río Palmeiras serán
utilizadas para realizar la simulación hidráulica mediante el programa HEC-RAS
3.1.1, y encontrar los niveles máximos sobre el Thalweg en cada una de las
secciones.
Finalmente se realizará el análisis de hidráulica fluvial, que permitirá determinar
el nivel de la crecida de diseño (NAME), la curva de descarga en función al
caudal, la cota del eje del puente, las profundidades de socavación a fin de
determinar la profundidad de cimentación, la longitud del puente en función al
ancho superficial del cauce estable.
1.2 OBJETIVOS
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Los objetivos del presente informe son:
a) Determinar los Caudales de Máximas Avenidas del rio Palmeiras en la
zona de cruce del puente, a fin de determinar el NAME de la crecida del
río para diferentes periodos de retorno.
b) Determinar la cota del eje del puente en función al NAME.
c) Determinar el ancho del cauce estable, a fin de terminar la longitud
mínima del puente carrozable.
d) Determinar la altura mínima de los estribos del puente.
e) Estimar las profundidades de socavación en la zona del puente, a fin de
determinar la profundidad de cimentación
1.3 UBICACIÓN Y LÍMITES
1.3.1 UBICACIÓN POLITICA
La Microcuenca del río Palmeiras hasta el puente proyectado, políticamente se
encuentra en el Distrito de Echarati, Provincia de La Convención y Departamento
de Cusco.
Rio : Palmeiras
Lugar : Palmeiras
Zonal : Kepashiato
Distrito : Echarati
Provincia : La Convención
Departamento : Cusco
Región : Cusco
1.3.2 UBICACIÓN GEOGRAFICA
Inicio (progresiva 0+000 del eje del rio):
Norte 8’609,959.51
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Este 703,367.71
Altitud 948.34 m.s.n.m.
Punto de Aforo (progresiva 0+167.46 del eje del rio):
Norte 8’609,818.39
Este 703,328.56
Altitud 945 m.s.n.m.
Fin (progresiva 0+222.26 del eje del rio):
Norte 8’609,784.85
Este 703,285.24
Altitud 941.50 m.s.n.m.
1.3.3 UBICACIÓN HIDROGRAFICA Y DESCRIPCION DE LA CUENCA
La microcuenca del río Palmeira perteneciente al río del mismo nombre se ubica
a 3,000 ml aguas arriba del rio Kumpirushiato, en sus orillas se encuentra el
poblado de Palmeiras y a 10 km de la localidad de Kepashiato. El punto donde se
ubicará el puente carrozable se encuentra en la zona alta de la microcuenca
Palmeiras siendo ésta microcuenca aportante del sistema hidrográfico del rio
Kumpirushiato de la cuenca del rio Urubamba.
Las condiciones locales diagnosticadas in situ, presentan evidencias que los
significativos flujos de avenidas en la parte media del río Palmeiras en la zona
del cruce del puente proyectado rebasan el nivel, desbordándose aguas arriba
y aguas abajo de la sección de análisis, siendo las cotas de las crecidas según
las secciones transversales adjuntos en los anexos del estudio de Hidráulica,
llegando a inundar la margen izquierda y derecha, por lo que se recomienda
proyectar defensas ribereñas con enrocados o gaviones.
La compleja función hidrológica de una cuenca depende de sus características
físicas y climáticas que ejercen efectos determinantes en su comportamiento,
dichas características influirán en el reparto de la escorrentía superficial a lo
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largo de los cursos de agua, siendo la responsable del comportamiento y
magnitud de las avenidas que se presentan en la cuenca.
Fig. N° 01: Ubicación de la cuenca del rio Palmeiras y lugar de aforo.
CAPITULO II: INFORMACION BASICA
2.1 CARTOGRAFIA Y TOPOGRAFIA
Para efectos del presente estudio hidrológico se ha utilizado la siguiente
información topográfica – cartográfica:
a) Imágenes satelitales del área de influencia del Proyecto obtenidas del
Google Earth.
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b) Cartas Nacionales a Escala 1:100,000.00 obtenidas del IGN correspondiente
a las siguientes hojas:
- Hoja 26 – o (Ayna)
- Hoja 26 – p (Chanquiri)
c) Plano topográfico con curvas de nivel cada 1.00 m, elaboradas a partir de
un levantamiento topográfico.
2.2 CUENCA DE INTERES
Tomando en cuenta que la evaluación Hidrológica para el Proyecto del puente
carrozable sobre el rio Palmeiras, ha de incluir los recursos hídricos disponibles
en los cursos de agua más cercanos al área de estudio, es que se ha
considerado a la cuenca del rio Palmeiras para su evaluación ya que es el punto
que físicamente se encuentra más cercana a la zona de emplazamiento del
puente carrozable.
En consecuencia la cuenca de interés es:
- Cuenca del rio Palmeiras hasta el punto de ubicación del probable
emplazamiento del puente carrozable en la cota 945 m.s.n.m.
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Fig. N° 02: Delimitación de la cuenca Palmeiras.
2.3 HIDROGRAFIA
El rio Palmeiras que cruza el puente carrozable proyectado, pertenece a la
vertiente Oriental la cual drena las aguas del rio Amazonas al Océano atlántico.
El rio Palmeiras nace en la Región Cusco, su área de cuenca no es muy grande,
descarga su afluente al rio Kumpirushiato, cuya distancia de recorrido desde el
punto de aforo es de 3.0 km, luego más adelante siguiendo un recorrido de Este
a Oeste antes de llegar a Kiteni se forma el rio Urubamba este sigue un
recorrido de Sur a Norte se une con los ríos Tambo y Pachitea forman el rio
Ucayali el cual es afluente del rio Amazonas.
2.4 GEOMORFOLOGIA
Límite de Cuenca
Punto de Aforo 945
msnm
Rio Palmeiras
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Las características geomorfológicas fueron calculadas sobre el área total de la
cuenca del rio Palmeiras, la cual ha sido delimitada siguiendo las líneas del
“divortium aquerium” hasta el puente emplazado sobre el rio Palmeiras en el
punto de aforo. Por tanto se ha considerado la cuenca de recepción como
equivalente al del área horizontal.
Esta evaluación presenta una breve descripción de las características más
importantes del complejo físico de la cuenca, mediante índices y parámetros
geomorfológicos. El resumen de los parámetros geomorfológicos se muestran
en el cuadro siguiente.
CUADRO Nº 1PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS – CUENCA DEL RIO PALMEIRAS
PARAMETROS UNIDAD VALORAREA DE LA CUENCA Km2 12.80
PERIMETRO Km 15.11
PARA
MET
ROS
DE
FORM
A
FA
CT
OR
DE
C
UE
NC
A
Coeficiente de Compacidad 1 1.18
FA
CT
OR
D
E
CU
EN
CA
Longitud (// al curso más largo) Km 3833.56
Ancho Medio Km 2522.86
Factor de Forma 1 0.66
RECTANGULO EQUIVALENTELado Mayor Km 4.98Lado Menor Km 2.57
PARA
MET
ROS
DE
RELI
EVE
Altitud Máxima de la cuenca m.s.n.m 1700.00Altitud Mínima de la cuenca m.s.n.m 965.00Desnivel total de la cuenca Km 0.74Altitud Media de la Cuenca m.s.n.m 1357.64Altura Máxima del cauce m.s.n.m 1600Altura mas frecuente m.s.n.m 1300Pendiente de la cuenca (rectángulo equivalente) % 40.33Pendiente media del rio principal % 3.50
2.4.1 CURVA HIPSOMETRICA.
La curva hipsométrica describe al distribución porcentual de las áreas
comprendidas entre las curvas de nivel equidistantes en la cuenca, en el
cuadro N° 02 se muestra la curva hipsométrica y la distribución de frecuencias
de la cuenca del rio Palmeiras (Fig. 3A y 3B).
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CUADRO Nº 2DISTRIBUCION DE AREAS (CURVA HIPSOMETRICA)
Altitud (msnm)
Áreas parciales (Km2)
Áreas Acumuladas
(Km2)
Áreas que quedan sobre altitudes
(Km2)% Total
% total que queda sobre
la altitud
965.00 0.000 0.000 12.80 0.00 100.00
1000.00 0.149 0.149 12.66 1.17 98.83
1100.00 0.966 1.115 11.69 7.54 91.29
1200.00 1.700 2.815 9.99 13.28 78.01
1300.00 2.275 5.090 7.71 17.76 60.25
1400.00 2.436 7.526 5.28 19.02 41.23
1500.00 2.006 9.531 3.27 15.66 25.56
1600.00 1.727 11.258 1.55 13.48 12.08
1700.00 1.547 12.805 0.00 12.08 0.00
12.805 100.00
FIGURA Nº 3A
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REGISTRO DE PRECIPITACION MENSUAL DEL AÑO PROMEDIO
HUYROMARANURAQUILLABAMBAMACCHU PICCHUECHARATE
MESES DEL AÑO
PREC
IPIT
ACIO
N M
ENSU
LA (m
m)
3.4 MAXIMAS AVENIDAS
3.4.1 PRECIPITACION MAXIMA.
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Debido a la carencia de registros hidrométricos del rio Palmeiras; se recurrirá a
la información pluviométrica, en este caso Precipitaciones Máximas de 24
horas, con el fin de estimar las tormentas en la cuenca. Para este análisis se
recurrirá a ecuaciones y modelos de transformación de la precipitación en
escorrentía.
De las estaciones mas próximas al Proyecto, citadas se cuenta con una serie de
16 años de registro de Precipitación Máxima en 24 horas en la estación
Echarate, 06 años de registro en la estación Huyro, 07 años de registro en la
estación Maranura, 15 años de registros en la estación Quillabamba, 09 años de
registro en la estación Macchu Picchu (Cuadro N° 9).
De las 05 estaciones citadas se ha preparado un solo registro de los eventos
máximos con una longitud de 31 años, tal como se muestra en el Cuadro N° 9.
Esta última serie fue ajustada a las distribuciones teóricas mas empleadas en el
análisis de eventos extremos como son: gumbel, Normal y Log Normal. Ver
Cuadro N° 10. En el mismo cuadro se muestra la bondad de ajuste de las
funciones teóricas evaluadas con el criterio Smirnov-Kolmogorov, de donde se
concluye que la función Normal presenta mejor ajuste, como se muestra en el
Grafico N° 5, seguidamente, se ha elaborado el Cuadro N° 11 y Grafico N°
6, donde figuran las Precipitaciones Máximas de 24 horas para diferentes
periodos de retorno.
CUADRO Nº 9RESUMEN DE PRECIPITACION MAXIMA DE 24 HORAS
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RESUMEN DE PRECIPITACION MAXIMA DE 24 HORAS
AÑO ECHARATE HUYRO MARANURA QUILLABAMBA MACHU PICCHUMAX MES MAX MES MAX MES MAX MES MAX MES
1964 40.0 FEB 40.01965 50.0 MAR 50.01966 50.0 NOV 50.01967 42.5 ABR 42.51968 58.2 FEB 58.21969 35.2 ABR 35.21970 52.3 ENE 52.31971 53.4 FEB 62.6 FEB 35.0 MAR 62.61972 66.4 ABR 59.0 DIC 45.0 ENE 66.41973 69.3 SET 57.8 ENE 30.5 DIC 69.31974 52.0 ABR 54.0 FEB 29.0 AGO 54.01975 59.0 FEB 52.0 ABR 45.0 NOV 59.01976 63.0 ENE 48.0 MAR 45.0 MAR 63.01977 56.1 OCT 40.0 FEB 56.11978 62.0 MAR 62.01979 62.2 JUL 62.21988 82.2 FEB 82.21989 50.7 DIC 50.71990 78.4 ENE 78.41996 22 ENE 22.01997 40.2 FEB 40.21998 63.8 SET 63.81999 59 FEB 57.6 FEB 59.02000 57.9 ENE 57.9 FEB 57.92001 44.7 FEB 57.4 ENE 57.42002 57.1 DIC 72.9 FEB 72.9
VALOR ELEGIDO
CUADRO Nº 10AJUSTE DE FUNCIONES DE DISTRIBUCION DE PROBABILIDAD DE
LAS PRECIPITACIONES MAXIMAS DE 24 HORAS
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Estudio Hidrológico e Hidráulico de “Construcción Puente Carrozable Palmeiras II sobre el rio Palmeiras”N° AÑO y= Ln x
NOTA: S = 1000/CN-10 (pulg:)S = 25.4*S (mm.)K = Ppacum - 0.2*S(mm.), K en mm.Pp efectiva acumuladaa) Si K< ó = 0, entonces Ppef acum = 0b) Si K> ó = 0, entonces Ppef acum = K^2/(Pp Acum+0.8*S(mm.))
CUADRO Nº 12BHIDROGRAMA UNITARIO DE MAXIMAS AVENIDAS (Tr=200 años)
DEL RIO PALMEIRAS
DATOS :
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Ac : 12.80 Km² Tp : 0.628 HorasDuración : 1.00 Hora Tb : 1.678 HorasTc : 0.21 Horas qp : 4.237 m^3/s/mm
Tp = 0.5*D + 0.6*Tc D : Duración de la lluvia en horasqp = 0.208*A/Tp Tc : Tiempo de concentraciónQp = qp*Pp.efec. Tb : Tiempo base del Hidrograma Unitario en horas
Tp : Tiempo pico al Qmáx. en horasqp : caudal pico al Tp. en m^3/s/mmQp : Caudal en m^3/s
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CUADRO Nº 12CHIDROGRAMA TOTAL DE MAXIMAS AVENIDAS (Tr=200 años)
DEL RIO PALMEIRASAc : 12.80 Km² Tp : HorasD : 1.00 Hora Tb : HorasTc : 0.21 Horas qp : m 3̂/s/mm
Qp to to + tp to + tb
m^3/s t inicial t máx. t final 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
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Características geométricas e hidráulicas del modelo
Para construir el modelo del rio Palmeiras en la zona de emplazamiento del puente
carrozable en el programa HEC-RAS se contó con el levantamiento topográfico de un
tramo de 222 m, que cubre 160 m aguas arriba y 62 m aguas abajo a partir del sitio del
puente. En el caso específico de este puente, la confluencia de 2 afluentes aguas arriba
del puente causó que el modelo incluyera dos brazos en su tramo aguas arriba, de los
cuales el considerado como principal es el correspondiente al rio Kukipata. La longitud
del tramo fue definida en función de las características hidráulicas del río y resultó
suficiente para el modelado hidráulico. A partir del levantamiento topográfico, realizado
mediante el método de radiación simple con una nube puntos en las inmediaciones del
río y del cauce del mismo, se elaboró un plano topográfico detallado con curvas de nivel
cada metro (Fig. 5), y se generó una superficie tridimensional del cauce.
A partir de la superficie tridimensional digital se generaron secciones transversales
espaciadas, en promedio, a cada 8 metros y con una extensión media de 20 m a cada
lado del eje del río. En total, 55 secciones transversales conformaron el modelo
hidráulico final del rio Palmeiras. La Fig. 6 muestra la planta del modelo en el programa
HEC-RAS, con la ubicación de las secciones transversales.
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Fig. 5: Vista en planta del levantamiento topográfico del rio Palmeiras
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Fig. 6: Vista en planta de las secciones transversales generadas en el HEC RAS
Para definir las condiciones de frontera del modelo se analizaron las características
prevalecientes en el cauce. Aguas arriba no existen elementos físicos específicos que
definan un control hidráulico por lo que se establece una condición de flujo normal con
pendiente de 0,035%, característica de la parte aguas arriba del tramo. Esta condición
no es dominante debido al régimen subcrítico que prevalece en el tramo, según se
confirmó con las simulaciones. Aguas abajo se definió asimismo una condición de flujo
normal con pendiente de 0,035%.
4.1.2.2 Niveles de agua en el sitio del puente para los caudales de diseño
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Las simulaciones en HEC-RAS, mediante cálculos a régimen mixto, tanto supercrítico
como subcrítico, permitieron obtener las condiciones de flujo del rio Palmeiras en el
tramo del puente. La Fig. 7 ilustra mediante una vista tridimensional los niveles de
agua en la quebrada para caudales de 200 años de período de retorno. La Fig. 8
muestra los niveles de agua en la sección del puente para los caudales analizados. En el
Anexo se incluye el detalle de los resultados obtenidos en las simulaciones con HEC-
RAS.
Resultados en Perfil y Secciones Transversales
Los resultados indican condiciones subcríticas prácticamente en todo el tramo
analizado, especialmente en el tramo aguas abajo. El flujo en todo el tramo es cercano a
uniforme, con un gradiente de la línea de energía cercano al 0,1%. Las profundidades
en el tramo rondan los 1,00 m para el caudal de 200 años de período de retorno (22.05
m3/s). Las velocidades medias correspondientes varían de sección en sección, pero sus
magnitudes máximas fluctúan entre los 3,0 y 2,5 m/s para el caudal de diseño.
La extensión de la superficie de inundación se aprecia en la Fig. 7. Ahí se puede
observar que para el caudal con período de retorno de 200 años los cauces no son
capaces de contener las máximas avenidas, sufriendo desbordamientos.
Los resultados en la sección del puente (Fig. 8) indican que la geometría propuesta
para el nuevo puente permite cumplir con la premisa de diseño de altura libre de 1,5 m
con respecto al nivel del agua para el caudal de 200 años de período de retorno (22.05
m3/s). En este caso el nivel de agua para dicho caudal es de 944.14 msnm en la
progresiva 0+167.46 (sección 57.573 en el HEC RAS).
La altura del eje del puente será como mínimo, según la siguiente consideración.
COTA MINIMA = MAME+ hr + hv+GALIBO
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Dónde:
NAME=944.14 msnm
hr=Altura de remanso.
La altura de remanso Hr=0.00, por no haber constricción en la zona del puente
Hv=Altura de velocidad
Como el Número de Froude=0.72<1, entonces la altura de velocidad no se
puede despreciar:
hv=V 2
2∗g
V = 2.28 m/s
g = 9.81 m/s2
Reemplazando en la ecuación:
hv=2.282
2∗9.81
hv = 0.265 m
GALIBO mín=1.50m (para el pase de árboles), medido desde la superficie del
agua hasta la parte inferior de la superestructura.
Por lo tanto la altura total del eje del puente será mínimamente:
COTA MINIMA = 944.14+ 0 +0.265+1.50=945.91 msnm
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Fig. 7: Vista en planta del rio simulado, obsérvese que la línea roja representa la riberadel rio Palmeiras y que el agua supera este cauce e inunda zonas aledañas.
0 5 10 15 20 25 30 35942
944
946
948
950
952
SIMULACION PUENTE Plan: Plan 01 22/11/2013
Station (m)
Ele
vatio
n (
m)
Legend
EG PF 1
WS PF 1
Ground
Bank Sta
.109 .058 .101
Fig. 8: Sección transversal del eje del puente
NAME: 944.14 msnm
FONDO: 943.0 msnm
COTA MINIMA:945.91 msnm
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4.2 CALCULO DEL ANCHO ESTABLE DEL RIO
Para tener una idea de la longitud aproximada del puente carrozable sobre el rio
Palmeiras se calculará el ancho estable del rio Palmeiras, se utilizará el software RIVER
ideado por el Ministerio de Agricultura para el diseño de defensas ribereñas.
4.2.1 Métodos y Resultados en RIVER
El programa RIVER puede calcular el ancho estable de un rio hasta por 05 métodos
distintos, se usaran los métodos siguientes:
Recomendación práctica
Petits
Simons – Henderson
Blench – Altunin
Manning Strickler
Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas mayormente responden
a fórmulas empíricas y necesitan mucho de la experiencia del ingeniero para su
determinación. Se calculará con los 05 métodos y al final se sacará un valor ponderado
para la luz del puente, sin embargo se debe saber que el ancho estable representa el
ancho del rio a partir del cual no sufre erosión.
CUADRO Nº 14ANCHO ESTABLE DEL RIO PALMEIRASEN LA ZONA DE CRUCE DEL PUENTE
METODO ANCHO ESTABLE
(m)
Recomendación Practica 9.95
Petits 20.85
Simons y Henderson 19.72
Blench y Altunin 17.00
Manning y Strickler 14.11
Del cuadro N° 14 se puede deducir que un Ancho Estable = 15.00 ml se aproxima
mejor a la luz adecuada del puente carrozable.
4.3 SOCAVACION DEL RIO
4.3.1 CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL
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El objetivo consiste en calcular la erosión máxima general que se puede presentar en
una sección al pasar la avenida de diseño considerada Qd= 22.05 m3/s, el cual tendrá
una frecuencia de retorno de 200 años. Cabe mencionar que como el lecho en la zona
de estudio es granular, se presentara una socavación generalizada.
La socavación que se produce en un río no puede ser calculada con exactitud, solo
estimada, muchos factores intervienen en la ocurrencia de este fenómeno, tales como:
- El caudal
- Tamaño y conformación del material del cauce
- Cantidad de transporte de sólidos
Las ecuaciones que se presentan a continuación son una guía para estimar la
geometría hidráulica del cauce de un río. Las mismas que están en función del
material del cauce.
4.3.2 SOCAVACIÓN GENERAL DEL CAUCE
Es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida al
efecto hidráulico de un estrechamiento de la sección; la degradación del fondo de
cauce se detiene cuando se alcanzan nuevas condiciones de equilibrio por disminución
de la velocidad, a causa del aumento de la sección transversal debido al proceso de
erosión.
Para la determinación de la socavación general se empleara el criterio de Lischtvan –
Levediev:
Velocidad erosiva que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo