Estudio Hidrológico de Carreteras

“ CONSTR CONSTRUCCION UCCION DEL CAMINO VECINAL PICURUY PICURUYACU ACU – NUEVA ESPERANZA, ESPERANZA, DISTRITO DE RUPA RUPA- PROVINCIA DE LEONCIO PRADO – DEPARTAMENTO DE HUÁNUCO” HUÁNU CO”

1. GENERALIDADES 1.1. INTRODUCCIÓN: Para que una carretera preste un servicio adecuado depende en gran medida de su sistema de drenaje, tanto de aguas pluviales y de las provenientes de escorrentías superficiales. La acumulación de aguas sobre la calzada producto de la precipitación pluvial, aún en pequeñas cantidades, presenta un peligro para el tránsito y la estructura del de l pavimento. La infiltración del agua a la superficie del pavimento puede producir el reblandecimiento de ésta y deteriorar la estructura de la vía, obligando a su reparación (a veces costosa). Además la socavación e inundación de un u n área puede llegar a cortar la superficie de rodadura, produciendo en ciertas ocasiones hundimientos; debido a ello, se hace necesario el estudio del drenaje como parte esencial de un buen proyecto, el cual en muchas ocasiones a llegado a influir en la variación del trazo de la vía.

1.2. OBJETIVOS: La finalidad del drenaje superficial es alejar las aguas, propias y adyacentes, que fluyen por la superficie de la carretera, para evitar la influencia de las mismas sobre su estabilidad y transitabilidad, así como para limitar las operaciones de conservación. Siendo importante 02 aspectos:

a.

La rápida evacuación del agua que cae sobre la calzada o que fluye a ella desde su entorno, para evitar peligros al tráfico y proteger la estructura del pavimento o lastrado. La solución en primer lugar, es determinar el caudal que fluye por las diversas ramificaciones de drenaje que son parte de las Microcuencas por donde cruza la vía, y en segundo lugar se refiere a determinar el dimensionamiento del depósito o estructura encargada de su manejo y evacuación.


b.

El franqueamiento o pase de los ríos u otros cursos de agua importantes, como quebradas y/o riachuelos; en el caso de los ríos y otros cursos de agua importantes, existen entidades encargadas de su control, principalmente las mediciones de caudales y precipitaciones. Estas suelen tener datas al respecto, pero en los casos correspondientes a cunetas y obras de arte, su solución es materia del presente estudio.


2. EVALUACIÓN DE CAMPO El reconocimiento en campo del sistema de drenaje superficial de la zona donde se ubica

el

proyecto

“CONSTRUCCION

DEL

CAMINO

VECINAL

PICURUYACU – NUEVA ESPERANZA, DISTRITO DE RUPA RUPAPROVINCIA

DE LEONCIO PRADO – DEPARTAMENTO DE oportunidades siendo la primera a criterio del HUÁNUCO” se llevó a cabo en dos oportunidades equipo técnico de topografía, y la segunda con todo el equipo técnico de evaluación verificando con mayor exactitud las características de las mismas. La evaluación fue orientada a evaluar e inventariar los problemas que pueden presentarse con los sistemas de drenaje de aguas provenientes de escorrentías superficiales a las futuras obras de drenaje longitudinal y transversal. Así mismo obtener información de las características hidrológicas, identificación de pendiente, cobertura vegetal y otros parámetros geomorfológicos geomorfológicos de las quebradas que se ubiquen en la zona. De la evaluación se tiene lo siguiente:


a. Alcantarillas, se diseñará estos elementos con datos de campo (marcas de niveles de agua e información de la población) así como los datos de Precipitación de

la

Estación Tingo María, emitido por el Servicio

Nacional de Meteorología e Hidrología. El diseño d iseño de estas será simulado a un canal circular cerrado. Las alcantarillas proyectadas se ubican en las progresivas km 1+130, 1+515, 1+515, 1+695, 1+940, 1+940, 1+980. El diseño corresponderá corresponderá en determinar la sección sección de la la alcantarilla. El material ha emplear para la conformación de la alcantarilla será tubería metálica corrugada TMC, de diámetros de 24”, 36”.

b.

Cunetas, En drenaje longitudinal, se plantea la proyección de cunetas que permitirán captar y evacuar el flujo (pluvial) (p luvial) que discurre en los taludes t aludes por efecto de las precipitaciones y de la misma calzada; se ubicará a lo largo de la vía, donde exista zonas de corte.

Finalmente, los caudales obtenidos han permitidos proyectar el sistema de drenaje superficial y subterráneo para la captación, control y evacuación de las aguas.


3. METODOLOGÍA DEL ESTUDIO 3.1. ALCANCES: El Estudio Hidrológico Hidrológico desarrollado tiene como objetivo objetivo evaluar y determinar el comportamiento, en condiciones extremas del aporte del pluviómetro y su traducción a escorrentía superficial. El cálculo de caudales será realizado usando el Método Racional, para el cual necesitaremos datos de Intensidad de Lluvia, Coeficientes de escorrentía y el área de estudio del proyecto. Para el análisis de algunos fenómenos, se hace uso de métodos estadísticos. Es el caso de la Intensidad proyectada para el Período de Diseño optado; para el cálculo de este parámetro usaremos la Ley de Gumbel o Distribución de valores extremos Tipo I. Los coeficientes de escorrentía a utilizar ut ilizar serán las determinadas por el Ing. Ven Te Chao, en el Libro de Hidrología Aplicada. El área del proyecto será la que cubre los tramos Picuruyacu – Nueva Esperanza serán determinadas de la Carta Nacional

3.2. ÁREA DE ESTUDIO: Los trazos abarcan las áreas que se encuentra comprendida entre las coordenadas UTM:

PICURUYACU Norte

:

386763.2770

Este

:

8974442.0870

Altitud

:

714.139 m.s.n.m.

Norte

:

386231.0000

Este

:

8973141.0000

Altitud

:

992.6797m.s.n.m.

NUEVA ESPERANZA


3.3. PLUVIOMETRÍA: La escorrentía existente, así como la producida en el área de Estudio, proviene exclusivamente de las precipitaciones pluviales caídas en las zonas. De acuerdo a lo observado el régimen hidrológico es el típico de esta zona, con incrementos notables entre los meses de octubre a marzo, y descensos en el resto del año (meses de abril a septiembre). La escorrentía superficial formada a consecuencia de las lluvias, se presenta con flujos variables, cambiando entre una mínima y una máxima escorrentía en períodos muy cortos. Las máximas escorrentías son coincidentes con la ocurrencia de tormentas en el ámbito de cada cuenca, cuyas observaciones y toma de información se presenta como precipitación máxima en 24 horas. La información pluviométrica fue obtenida del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrografía del Perú y es la siguiente:

Para el análisis hidrológico, el SENAMHI se encargo de la determinación del parámetro PRECIPITACIÓN PLUVIAL EN 24 HORAS (MM) para los años 1964 a 1978. Luego con estos datos se evaluó la precipitación de diseño para un periodo de retorno retorno de 25 años.

3.4. ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO: Para la estimación de caudales máximos se iniciará con el procesamiento de datos del pluviómetro, este procesamiento servirá para hallar la intensidad de las tormentas, y mediante la estadística proyectar las mismas para un periodo de


retorno determinado, generando una Intensidad máxima de precipitación, proyectada al periodo de diseño. El coeficiente de Escorrentía, es un parámetro que nos indica el porcentaje p orcentaje de agua que discurre sobre la superficie del terreno, este parámetro depende de la pendiente del terreno, terreno, de uso de la tierra e indirectamente indirectamente del periodo de retorno. Área de la cuenca, corresponde al área de aporte de una determinada cuenca, la delimitación de la misma se realiza, de acuerdo a la divisoria de aguas. Los parámetros descritos anteriormente son usados por el Método M étodo Racional para el cálculo de caudales:

Método Fórmula Racional. El método de la Fórmula Racional permite hacer estimaciones de los caudales máximos de escorrentía usando las intensidades máximas de precipitación; este método formula que el caudal máximo de escorrentía es directamente proporcional a la intensidad intensidad máxima de la lluvia para un período de duración duración igual al tiempo de concentración, y al área de la cuenca. El tiempo de concen co ncentración tración representa el tiempo que demora una partícula de agua para trasladarse del punto más remoto de la cuenca hasta el punto de desagüe. Cuando haya transcurrido este tiempo toda la cuenca estará contribuyendo a formar el caudal de la escorrentía que tendrá en consecuencia un valor máximo. Este método se aplica para la estimación de caudales de cuencas de extensión menor a 10 km2. La fórmula usada por este método es la siguiente.

Q 

C * I * A

3.6

Donde: Q = Caudal de diseño (m3 /s.)

= Coeficiente de escorrentía C = i =

Intensidad de precipitación precipitación (mm/hr)

A = Área de

Cuenca. (km2).


El método de cálculo, supone que la máxima variación del gasto correspondiente a una lluvia de cierta intensidad sobre el área, es producida por la lluvia que se mantiene por un tiempo igual igual al tiempo de concentración. concentración. El Coeficiente de escorrentía es el mismo para todas las tormentas que se produzcan en una una cuenca dada. El Tiempo de Concentración se define como; el tiempo requerido por el escurrimiento superficial para llegar, desde la parte más alejada de la cuenca hasta el punto que se considere como límite de la misma. El procedimiento que se seguirá para hallar los parámetros necesarios y aplicar el Método Racional será el siguiente: Determinación de los Parámetros Geomorfológicos Geomorfológicos Cálculo del Tiempo de Concentración Cálculo de la Precipitación P recipitación para un determinado Tiempo de Retorno Cálculo de la Intensidad de Lluvia Estimación del Caudal de Diseño.

a. Determinación de los Parámetros Geomorfológicos: Los parámetros geomorfológicos que son necesarios para el cálculo del caudal de diseño son los siguientes:

Longitud del Cauce Mayor (l ). ). Este parámetro fue medido directamente sobre el plano de la Carta Nacional: Esc.1/100,000, que fue digitalizado y haciendo uso de las herramientas de sistemas CAD para medir distancias. Su unidad esta dada en kilómetros.

Pendiente de la Cuenca (S). La pendiente de la cuenca cuenca se hallará

aplicando el criterio del

Rectángulo Equivalente, cuya hipótesis consiste en determinar la compacidad de la cuenca, que no es más que la relación existente entre


el área de la cuenca cuenca y una circunferencia circunferencia de igual área. Posteriormente la equivalencia se dá entre esta área circular y un rectángulo, donde los lados menores opuestos tienen una diferencia de altura igual a la cota mayor menos cota menor de la cuenca y el lado mayor mayor del rectángulo rectá ngulo es la longitud equivalente con el cauce may ma yor.

Por lo tanto se tiene: Coeficiente de Compacidad es:

KC 

0.2821 A

Donde: Kc = coeficiente de Compacidad. p =

Perímetro de la Cuenca Cuenca (Km.)

A =

Área de la Cuenca. (Km2)

Parámetros de Rectángulo Equivalente: Lado Mayor ( LM):  * A

LM 

2

 4  1  1  2    * K c  

Lado Menor ( Lm): Lm 

 * A

2

 4  1  1  2    * K c  

Pendiente de la Cuenca (S) S 

Donde: = ΔC =

C LM

Cota mayor - Cota menor


b. Cálculo del Tiempo de Concentración (Tc): Como se desprende de la formulación teórica el método racional, tiene su sustento en el tiempo de concentración, por lo que hemos prestado especial atención en su cálculo. Por esta razón hemos seleccionado tres de las formulaciones más representativas que nos dan una estimación del T c.c. Estas formulaciones son las planteadas por Kirpich:

T C  0.000325

0.77

L

0.385

S

Donde: L = Longitud del cauce (m.)

Cu enca (m/m.). S = Pendiente de la Cuenca

c. Cálculo de la precipitación para un determinado Tiempo de Retorno (P). El período de diseño de la obra esta propuesta para 25 años. Por lo tanto, el periodo de retorno para el diseño de las estructuras de drenaje transversal, se ha considerado de 25 años. Para calcular la precipitación máxima se tabulan los datos en formatos de columnas y se realiza los siguientes pasos:

-

Obtener la serie de datos mensuales de máxima precipitación producida en 24 2 4 horas. La serie debe contener el registro de por lo menos 15 años, para que nuestro resultado sea confiable.

-

Del registro de cada año se extrae la máxima precipitación producida en 24 horas. horas.


d. Cálculo de la Intensidad de Lluvia (I):

-

La estación de la lluvia ubicada en la zona, no cuenta con registros pluviógrafos que permitan obtener obtener las intensidades máximas. máximas. Sin embargo estas pueden ser calculadas a partir de las lluvias máximas en base al modelo de Dick y Peschke. Este modelo permite calcular lluvia máxima en función de la precipitación máxima en 24 horas para periodos de duración de 15mín., 30mín., 60mín., 120mín., 180mín., y 240mín. La expresión que determina este parámetro es el siguiente:

 d  Pd  P   1440  24 h 

0.25

Donde: Pd

= Precipitación total (mm).

d

= Duración en minutos

P24 =Precipitación máxima en 24 horas (mm).

-

A partir de este resultado se calcula las Intensidades máximas (precipitaciones máximas por hora), con tiempos de duración de 15mín., 30mín., 60mín., 120mín., 180mín. y 240mín. Este cálculo está dado por la siguiente fórmula:

I  Donde: I

60 * pd Di

= Intensidad, Intensidad, Precipitación total por hora (mm./ hora).

Di =

Duración en minutos (15mín., 30mín., 60mín., 120mín., 180mín. y 240mín.)

-

Se realiza una redistribución en cuanto al orden de estos datos, será en orden descendente (mayor – menor). Se realiza en el cuadro Nº 05.


-

De esta redistribución se enumera en orden ascendente (menor mayor) y se calcula el periodo T (años). Se realiza en el cuadro Nº 05 y es establecida por la siguiente fórmula: T 

N i  1 N

Donde: = Periodo en años. T = o rden “i”. Ni = Número en el orden N = Numero de Años.

-

Se calcula el promedio aritmético de los datos de precipitación máxima. Se realiza en el cuadro cuadro Nº 05 y está dada por la fórmula: I p 

 I

i

N

Donde:

-

Ip.

= Promedio de intensidades máxima m áximass (mm/hora).

Ii

= Intensidad en el orden “i”

N

= Número de Años.

(mm/hora).

Se calcula la desviación estándar de los datos de precipitación máxima. Se realiza en el cuadro cuadro Nº 05 y está dada por la fórmula:  I



  I  I i

P

2

N

Donde: σI .

= Desviación Estándar de Intensidades (mm/hora).

Ip.

= Promedio de intensidades máximas (mm/hora).

Ii

= Intensidad en el orden “i”

N

= Número de Años.

(mm/hora).


-

Luego aplicamos la Distribución de valores extremos tipo I o Ley

de Gumbel para calcular las Intensidades proyectadas o las de diseño. Este método de distribución estadística está dada por:

I  I P  K  I

Donde: I

: Intensidad con probabilidad dada (mm/hora).

Ip.

: Promedio de intensidades máximas (mm/hora).

σ I

: desviación estándar de intensidades intensidades (mm/hora).

K

:Factor de frecuencias definido por cada distribución.

“K” es el factor de frecuencias definido por cada distribución. Es una función del nivel de probabilidad asignado a I, y esta definido por: K 

Y  T n  T

Donde: Factor de frecuencias definido a cada distribución.

K

:

Y

: Variable reducida

Tn

:

σ T

p eriodo : Desviación estándar del periodo

Periodo en el año "n"

“P” es la probabilidad de que valor I sea igualado o excedido, está dado por la siguiente expresión: P  1  e e P

 Y

1 T

La deducción de la fórmula de probabilidad está dada por: P

1 T










Y   Ln  Ln1 

1   

T  

Donde:

-

Periodo

T

:

Y

: Variable reducida

Finalmente en concordancia a la figura N° 04, se determina una Intensidad de acuerdo al tiempo de duración determinada y para un periodo de retorno igual igual a 25 años y 50años respectivamente. respectivamente.

e. Estimación del Caudal de Diseño (Q): Se aplicó la formulación del método racional. Se considera coeficiente de escorrentía C = 0.48, porque la superficie del área del estudio estudio se presenta con pendiente superior a 7% y la característica del suelo se presenta como área de bosques. bosques. Se define el cálculo de caudales para las diferentes estructuras de drenaje en el Cuadro N° 09, esto para todos los cursos de agua.


4. DISEÑO DE DRENAJE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL 4.1. ALCANCES: Una vez realizado el análisis Hidrológico se realiza el diseño de elementos de drenaje transversal y longitudinal. Pero para esto se necesita razonable exactitud en la predicción de las escorrentías máximas para determinados intervalos de ocurrencia o duración. El diseño de elementos de drenaje será realizado como canales en régimen uniforme y permanente. El diseño de un canal se refiere a la selección del trazo, tanto en su alineamiento como en su pendiente de fondo, a la selección de la forma y dimensiones de la sección transversal, a la selección de su revestimiento y a la determinación de las características hidráulicas, como la velocidad y tirante que permite establecer el régimen de flujo. El diseño hidráulico trata principalmente del cálculo del tirante normal que es el que corresponde para cada descarga en un canal con pendiente de fondo, sección transversal y rugosidad de paredes establecidas. Los cálculos correspondientes se realizan empleando ecuaciones de resistencia al flujo, como aquellas que plantea R, Manning, M anning, y que se describe a continuación:

Q

A * R

2 3

1 2

* S

n

Donde: Q

: Caudal de Diseño (m3/s).

A

:

Área mojada.

R

:

Radio Hidráulico.

S

: Pendiente de fondo de

n

: Coeficiente de rugosidad.

canal.


Los caudales de diseño diseño son calculados en el cuadro Nº 09, de acuerdo a cada cada elemento de drenaje. El Coeficiente de rugosidad son establecidos en el cuadro Nº 10, y están planteados por el Ing. Francisco Coronado del Águila, en su Libro Diseño y Construcción de Canales.

4.2. DISEÑO DE CUNETAS: f

H 1

1 Z1

Z2

B1

B2 W

SECCIÓN DE CUNETA

Elementos geométricos de la Sección. -

Área Mojada. A 

-

Y 2  Z 1  Z 2 

2

Perímetro mojado. 1  Z 12 

P  Y

-

Radio Hidráulico. R 

-



Y  Z 1  Z 2 

2 1  Z 12  1  Z 22

Ancho Superficial. B  Y  Z 1  Z 2 

-

1  Z 22

Altura de canal. H  Y  f



Y


-

Ancho Total de canal. W  T  f  Z 1  Z 2 

4.3. DISEÑO DE ALCANTARILLAS:

f D O

Y

B SECCIÓN DE ALCANTARILLA

Elementos geométricos de la Sección.

-

Área Mojada. A 

-

1    Sen * D 2 8

Perímetro mojado. P 

-



1  Sen  1   * D 4   

Ancho Superficial. 1    * D 2  Altura de canal.  

B   Sen

-

* D

Radio Hidráulico. R 

-

1 2

H  Y  f


VELOCIDAD MÁXIMA DE EROSIÓN Material de Revestimiento Arena fluida ligera Arena suelta muy ligera Suelto arenoso Suelto arenoso grueso Tierra vegetal, suelo aluvial Suelo de ceniza volcánica Tierra vegetal arcillosa Suelo arcilloso duro Ladrillo Suelo con grava grava Conglomerado Roca sedimentaria suave Roca dura Madera cepillada Concreto fc=140kg/cm2 fc=140kg/cm2 Concreto fc=210kg/cm2 fc=210kg/cm2 Planchas de acero

Variación de las Velocidades 0.23 0.30 0.45 0.60 0.75 0.85 0.90 1.30 1.40 1.50 1.80 2.40 3.00 6.00 3.80 6.60 12.00

Máximas en m/seg. 0.30 0.45 0.60 0.75 0.85 0.95 1.15 1.50 1.80 2.40 4.50 4.40 7.40 20.00


VALORES DE “n” DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS FORMULAS DE KUTTER Y MANNING SUPERFICE Cauces Naturales Limpios y rectos Con vegetación y piedras Limpios con curvas Bajo nivel y curvas Con depresiones y veg.

MEJOR 0.025 0.030 0.033 0.040 0.050

BUENA REGULAR 0.028 0.033 0.035 0.045 0.060

FUENTE:IRRIGACIÓN-CESAR ARTURO RESEEL CALDERON-CIP

0.030 0.035 0.040 0.050 0.070

MALA 0.033 0.040 0.045 0.045 0.055 0.080

Estudio Hidrológico de Carreteras

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