SERVICIO DE CONSULTORIA
CONSTRUCCION DEL PUENTE CARROZABLE CHUICHILLA L=21 M DE LA CARRETERA CORACORA
–
YAUCA
ESTUDIO DE HIDRAULICA FLUVIAL
1.
INTRODUCCIÓN.
El presente Informe está enfocado a desarrollar el estudio de hidráulica fluvial del Puente Chuichilla ubicado en la progresiva 34+400 de la carretera Coracaora – Yauca, esta carretera constituye una ruta de suma importancia para resaltar el desarrollo económico de las Provincias de Parinacochas y Paucar del Sara. El diseño del Puente Chuichilla sobre la quebrada del mismo nombre, demanda que no solamente se deben hacer estudios detallados referidos a su ubicación con respecto al trazo de su carretera, al tráfico y a los requisitos estructurales y de cimentación, sino que también se debe tomar en cuenta las características del río que fluye por debajo de él, de modo de establecer los parámetros hidráulicos para el dimensionamiento del puente.
1.1
OBJETO DEL ESTUDIO.
El presente estudio tiene por objetivo determinar las características hidráulicas de la quebrada Chuichilla a efectos de determinar una adecuada profundidad de cimentación por efectos de la socavación general y local y las protecciones necesarias para que no permitan el colapso de la estructura del puente Chuichilla, emplazada sobre la quebrada del mismo nombre, ante la ocurrencia de caudales máximos con determinado período de retorno.
2.
ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO
2.1
LOCALIZACION DEL PUENTE.
Localización Política El puente Chuichilla se encuentra ubicado en el ámbito del distrito de Coracora, perteneciente a la provincia de Parinacocha, departamento de Ayacucho.
Localización Geográfica El área de estudio del Proyecto (carretera), se encuentra ubicada entre los paralelos 15° 07’ 07’ 04.70” 04.70” de latitud sur y los meridianos 73° 49’ 49’ 50” 50” de longitud oeste, oeste, altitudinalmente altitudinalmente se encuentra en la cota 1986.21 m.s.n.m
Localización Hidrográfica El puente Chuchilla se encuentra ubicado sobre la quebrada del mismo nombre, que viene a ser un afluente del río Lampalla, éste último a su vez da origen al río Yauca que finalmente desemboca en el Océano Pacífico.
2.2
UBICACIÓN DEL PUENTE.
El emplazamiento del puente Chuichilla se encuentra aproximadamente a 210 m aguas arriba de la desembocadura de la quebrada Chuichilla sobre el río Lampalla.
FIGURA Nº 01. UBICACIÓN DEL PUENTE CHUICHILLA
3
HIDRAULICA FLUVIAL Y MORFOLOGIA FLUVIAL.
3.1
CARACTERIZACION DEL RIO.
La quebrada Chuichilla se encuentra dentro de un valle angosto, típico de un río joven, donde se tiene un único cauce, sin terrazas ni planicies de inundación. Las márgenes están constituidas por material suelto inestable, donde se puede apreciar desprendimientos de rocas y material suelto. A lo largo del cauce se observa un lecho granular, con presencia de algunos bolones de gran tamaño, las cuales tienen evidencia de haberse desprendido de los taludes de la quebrada en las inmediaciones del Puente, estos bolones llegan a dimensiones de hasta 2.50 m.
El cauce se caracteriza por tener una geometría estable, donde no existe opción a movimientos laterales del flujo. Dentro del cauce se observan rocas de gran tamaño (hasta de 2.0 de diámetro), que interrumpen el flujo. Estas rocas se nota que tienen cantos angulares, por lo que se
puede concluir que no fueron transportadas por el flujo sino que provienen del desprendimiento de las laderas cercanas. Aguas arriba de la sección de emplazamiento del puente, se tienen taludes inestables, con permanente desprendimiento de material suelto que forman conos, como se muestran en las f otografías.
Izq. Se observa en el cauce rocas de gran tamaño de característica angular. Der. Se observa en el cauce conos de material suelto que se han acumulado por desprendimiento de los taludes.
3.1.1 PATRON DEL ALINEAMIENTO DEL CAUCE (CLASIFICACION DEL RIO) El entendimiento de la morfología fluvial se facilita mediante el estudio del alineamiento del cauce en planta. El patrón de alineamiento está íntimamente relacionado con los procesos de erosión y transporte de sedimentos en la corriente y por ende con la estabilidad lateral de la misma. Dicho patrón depende muchas veces de la composición litológica y de las estructuras geológicas (fallas, diaclasas, contactos litológicos) puesto que en algunas oportunidades ofrecen control al alineamiento del cauce. Se presentan tres patrones de canal, dependiendo de su sinuosidad: recto, trenzado y meándrico o serpenteado, y dependiendo del número de canales (Leopold y Wolman, 1957). Así tenemos, el río Pinahua, según el criterio de Lane, y Leopold y Wolman corresponde a un río meándrico, considerando un caudal medio anual de 1.37 m3/s y una gradiente de S=0.120. Por otro lado, la sinuosidad obtenida en la quebrada Chuichilla es de 1.19, que dentro del diagrama de Shumm y Khan corresponde a una clasificación “meándrica”. Finalmente, debido a la existencia de un solo cauce, estable, la quebrada Chuchilla, corresponde a un río meándrico..
3.1.2 EVOLUCION Y DESPLAZAMIENTOS DEL RIO. La quebrada Chuichilla, si bien de acuerdo a la sinuosidad corresponde a un río meándrico, no ha experimentado grandes desplazamientos laterales horizontales. La quebrada mantiene una estabilidad morfológica, con tendencias a erosiones en los codos, hacia donde tiende a migrar.
3.1.3 DIMENSIONES DE EQUILIBRIO DEL RIO. Las dimensiones de equilibrio están enfocadas en la determinación del ancho de equilibrio del río, cuando este se encuentra en dentro de una cauce aluvial. La quebrada Chuichilla, si bien se encuentra dentro de un cauce estable morfológicamente, muestra tendencias de migración lateral en los codos y en algunas partes donde las márgenes presentan material suelto inestable. A fin de determinar el ancho de equilibrio del río se han evaluado empleando los criterios de: Lane, Blench, Simons y Albertson, Altunin y Kondap. Así para un caudal extremo de 10.0 m3/s, se han obtenido los siguientes resultados:
CUADRO Nº 02. RESUMEN DE CALCULOS DE ANCHO ESTABLE ANCHO METODO (M) Lacey
15.3
Blench
19.8
Simons y Albertson
13.9
Altunin
15.5
Kondap
11.3
Del cuadro anterior se desprende que el ancho que da lugar al cauce de equilibrio se encuentra entre 16 y 19 m
4
CALCULOS HIDRAULICOS.
4.1
CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO.
Con el objeto de calcular las características hidráulicas del área de estudio se realizaron las siguientes actividades: visita de campo a la zona de estudio y levantamiento topográficos con fines de establecer las características geométricas e hidráulicas del cauce, pendientes longitudinales de fondo y de superficie de agua y propiedades del material del cauce. Se establecieron las siguientes propiedades:
4.1.1 GRADIENTE HIDRAULICA. La pendiente promedio de la superficie de agua en el tramo de estudio se ha estimado en: So = 0.120
4.1.2 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL FLUJO. La ecuación de Manning se aplica en los cálculos de flujo uniforme y flujo gradualmente variado y esta dado por:
Q
A R
2 3
S
1 2
n
Donde: Q : Caudal en m3/s. A : Area mojada en m P : Perímetro mojado en m R = A/P = Radio Hidráulico S : Pendiente de la línea de energía n : Coeficiente de resistencia al flujo (n de Manning)
De acuerdo al criterio de Cowan, se tiene:
CUADRO Nº 3. DETERMINACION DEL COEFICIENTE n DE MANNING CARACTERISTICA Tipo de Material Irregularidad Variación de la Sección Transversal Obstrucciones Vegetación Cantidad de Meandros
Total
PARAMETRO VALOR n0 n1 n2 n3 n4 m
0.025
n
0.058
0.005 0.005 0.020 0.003 1.00
Por otro lado, haciendo una comparación del lecho de la quebrada Chuichilla y lechos similares calibrados, presentados en el “Atlas Pictórico del Número de Manning” por Víctor M. Ponce, se puede apreciar valores entre 0.050 a 0.078, por lo que se ratificamos el valor de resistencia al flujo (n de Manning) en 0.058 (En el Anexo Nº 01 se muestra la discusión completa del valor de n)
FIGURA Nº 03. CAUCE DEL RIO PINAHUA EN LA SECCION DEL PUENTE
4.1.3 MATERIAL DEL CAUCE. El cauce está formado por material heterogéneo, por un lado se tienen bancos de material granular provenientes del arrastre del flujo (Fotografía C), éstos se encuentran combinados con material fino (material cohesivo: limos y arcillas) provenientes del desprendimiento de las laderas, estos desprendimientos se dan por efectos de la precipitación pluvial que erosionan los taludes, y por erosión eólica, estos desprendimientos se configuran en forma de conos hacia un costado del cauce, muchas veces interrumpen y desvían el flujo de la quebrada. En la Fotografía A, en la margen derecha del cauce se muestra un cono de material fino proveniente del talud. Por otro lado también se observan en el cauce, bolonerías de gran diámetro (de hasta 2.50 m de diámetro), provenientes de los taludes rocosos. Estas bolonerías muchas veces se colocan a mitad del cauce e interrumpen el flujo, su avance es lento, poco a poco van fraccionándose. En la fotografía B, se observan bolonerías de tamaño medio (entre 0.60 a 1.0 m), mientras que en la fotografía D, se observan rocas de mayores diámetros (entre 2.0 a 2.50 m), ambas fotografías corresponden a aguas arriba de la sección del puente Chuichilla. Las márgenes de la quebrada presentan material heterogéneo, en algunos tramos se muestran estratos superficiales de material fino, las cuales al desprenderse forman conos (fotografía A), en otros tramos se muestran afloramientos de roca metamorfizada, fracturada, las cuales al desprenderse proporcionan bolonerías al cauce (Ver fotografías C y D).
FIGURA Nº 04. MATERIAL DEL CAUCE DEL RIO PINAHUA EN LA SECCION DEL PUENTE A
B
C
D
Figura N° 5. (A) Se muestra el desprendimiento de material suelto en forma de cono que interrumpe momentáneamente el cauce. (B) Se muestra dentro del cauce un conjunto de rocas desprendidas de los taludes del cauce. (C) Se muestra el cauce en forma de bancos de material granular. (D) Se muestran rocas de gran diámetro dentro del cauce.
Considerando únicamente la granulometría menor se ha establecido un diámetro medio de 15.0 mm
4.1.4 PROPIEADES DEL AGUA. La temperatura media durante la época de avenidas es de 10.0 ºC, con esta temperatura se tiene que la viscosidad del agua es la siguiente: -
Viscosidad cinemática
v = 1.31 x 10-6 m2/s
4.1.5 SECCION TRANSVERSAL De los planos de levantamiento topográfico de la zona de estudio, se obtuvieron secciones transversales desde 300 m aguas arriba hasta 300 m aguas abajo, los cuales se presentan en el Anexo 02. A continuación se muestran la sección de la quebrada Chuichilla a la altura del emplazamiento del puente del mismo nombre ( Figuras Nº 14 al Nº 17).
FIGURA Nº 05. SECCION DE LA QUEBRADA CHUICHILLA, DONDE SE EMPLAZA EL PUENTE
Fotografía de la sección de la quebrada Chuichilla a la altura del Puente (vista hacia aguas abajo).
FIGURA Nº 06. SECCION DE LA QUEBRADA CHUICHILLA EN EL EJE DEL PUENTE (PUENTE 01)
Sección de la quebrada Chuichilla a la altura del Puente Chuichilla (Puente 01), (vista hacia aguas abajo).
4.2
CALCULO DE LA VELOCIDAD Y TIRANTES MAXIMOS.
A fin de establecer las velocidades del flujo y los tirantes máximos se ha elaborado la curva de gasto en la sección de la quebrada Chuichilla, a la altura del puente.
CUADRO Nº 4. CURVA DE GASTO DE LA QUEBRADA CHUICHILLA – SECCION PUENTE Nº
Cota msnm
Tirante
0 1 2 3 4 5 6
1986.21 1986.46 1986.71 1986.96 1987.21 1987.71 1988.21
0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.50 2.00
Área
0.63 1.93 3.53 5.27 9.32 13.36
Perímetro Radio n de Pendiente Velocidad Mojado Hidráulico Manning 4.11 6.07 7.04 7.72 9.09 10.46
0.15 0.32 0.50 0.68 1.02 1.28
0.120 0.120 0.120 0.120 0.120 0.120
0.058 0.058 0.058 0.058 0.058 0.058
1.72 2.78 3.77 4.63 6.07 7.03
Caudal 0 1.09 5.37 13.33 24.39 56.56 93.97
FIGURA Nº 07. CURVA DE GASTO DE LA QUEBRADA CHUICHILLA EN EL EJE DEL PUENTE (PUENTE 01)
CURVA DE GASTO PUENTE CHUICHILLA (PUENTE 01) 1.2 1.0 0.8 a u g A 0.6 e d l e v 0.4 i N
0.2 0.0 0
5
10
15
20
25
30
Gasto (m3/s)
CURVA DE GASTO PUENTE CHUICHILLA (PUENTE 01) 1,987.4 1,987.2 1,987.0 a u g A e d l e v i N
1,986.8 1,986.6 1,986.4 1,986.2 1,986.0 0
5
10
15
20
25
30
Gasto (m3/s)
Según la curva de gasto, para un caudal de máximas avenidas de Q = 10 m3/s, que corresponde a un período de retorno de 100 años, de acuerdo al estudio de Hidrología, se tiene un nivel máximo de agua de 0.67 m
4.3
CALCULOS DE SOCAVACION.
Considerando que la quebrada Chuichilla presenta un flujo torrencial, además dad la presencia de piedras de gran diámetro, es conveniente que los estribos del puente sean planteados fuera del cauce, es decir los estribos no interfieran en el flujo. Este planteamiento conlleva a experimentar únicamente fenómenos de socavación general.
4.3.1 SOCAVACION GENERAL La socavación general fue calculada para el caso de presencia de arrastre de fondo. Esta situación fue establecida por el criterio de comparar la velocidad crítica Vc, de inicio de movimiento del material que forma el fondo con la velocidad media Vm n el cauce principal o planicie de inundación de la sección próxima aguas arriba del puente. Si dicha velocidad crítica es menor que la velocidad media (Vc
CUADRO Nº 5. RESUMEN DE LOS CALCULOS DE SOCAVACION GENERAL DEL PUENTE PULLUMAYO (ESTRIBO IZQUIERDO)
METODO
Ys (m)
LISCHTVAN – LEVEDIEV
0.49
NEILL
2.54
LACEY
0.67
BLENCH
1.93
Según los métodos aplicados puede establecerse que la socavación general estará entre 0.50 y 2.50 m, dándose el menor valor en las orillas y el mayor en el centro. Luego, podemos establecer la profundidad de socavación general en la orilla igual a 2.5 m
4.3.2 ESTIMACION DE LA SOCAVACION TOTAL. La socavación total es la combinación de cambios de elevación en el fondo a largo plazo, socavación por contracción y socavación en cada estribo. En las condiciones más desfavorables se puede esperar una socavación total de alrededor de los 2.5 m.
5
OBRAS DE ENCAUZAMIENTO Y PROTECCION.
5.1
DETERMINACION DE OBRAS DE ENCAUZAMIENTO.
Dado a que se plantean los estribos retirados del cauce, no se requieren obras de encauzamiento.
5.2
DETERMINACION DE OBRAS PROTECCION.
Las obras de protección del estribo, estarán compuestas por alas de concreto las cuales parten desde el estribo con una desviación de 45º con dirección hacia el terreno, la longitud fue determinada en función a l encuentro con el terreno de tal manera que el flujo no puede desbordar sobre dichas alas.
6 6.1
DETERMINACION DE VALORES DE DISEÑO LONGITUD DE LA LUZ DEL PUENTE.
El criterio para seleccionar la longitud de la luz del puente, es tal que permita la circulación del caudal del río en avenidas ordinarias y extraordinarias con una estabilidad dinámica y morfológica y sin el peligro de obstrucciones por la presencia de huaycos y/o grandes piedras, con la f inalidad de que dicha luz trabaje a capacidad plena. En función al criterio expuesto, y de acuerdo a los cálculos de ancho estable efectuados, se define y se recomienda mantener una luz libre de 21 metros.
6.2
NIVELES DE AGUA EN EL PUENTE.
Los niveles de agua de diseño en el río fueron determinados para las condiciones de ocurrencia de máximas avenidas extraordinarias, con la finalidad de permitir un paso adecuado del flujo, y sin que ello sobrepase o rebose la superestructura del puente. De acuerdo a los cálculos obtenidos, se recomienda considerar un nivel máximo de agua e la cota 1986.86 msnm, considerando que el fondo del río en el eje del puente tiene una cota de 1986.21 msnm, y el tirante máximo igual a 0.65 metros. Por otro lado, se observa la presencia de rocas de gran diámetro (rocas de hasta 2.5 m de diámetro), provenientes del desprendimiento de las laderas, estas rocas deben ser eliminadas. Sin embargo, considerando que en futuro pueda presentarse similares desprendimientos de rocas, las que puedan atascarse en la sección del puente, necesario considerar una luz libre no menor a 3.0 metros.
6.3
NIVELES DE CIMENTACION POR EFECTOS DE SOCAVACION.
El nivel de cimentación de la subestructura del Puente por efectos de la socavación total al pie de estribos, debe ser tal que permita soportar con un factor de seguridad adecuado, el caudal de avenidas extraordinarias; con la finalidad de que en presencia probable de la misma, el Puente No colapse, debido a asentamientos o desplazamientos producidos por socavación intensa de los estribos. De acuerdo al criterio expuesto y los resultados encontrados el presente estudio, la altura mínima de socavación, considerando un lecho arenoso (banco de arena), es igual a 2.50 m.
6.4
PROTECCION CONTRA LOS PROCESOS EROSIVOS.
De acuerdo a las características estables del cauce, no es necesaria la implementación de obras de encauzamiento. En cuanto a las obras de protección, los estribos deben llevar alas de concreto que parten desde el estribo con una desviación de 45º en la dirección al terreno.
7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1
CONCLUSIONES.
8
-
La longitud de la luz del puente Chuichilla, recomendada es de 21.0 metros.
-
El nivel de aguas máximo de diseño de la quebrada Chuichilla es igual a 1986.86 msnm, considerando una cota de fondo de 1986.21 msnm, con un tirante máximo de 0.65 m.
-
Debido a la presencia de rocas de gran diámetro en el cauce, las cuales pueden trasladarse a la sección del puente y reducir el área hidráulica, se recomienda considerar una luz libre de 3.0 metros.
-
La cota del nivel de cimentación en los estribos recomendada por efectos de socavación está condicionada a la potencia del banco de arena, el mismo no será mayor a los 2.50 metros.
-
No es necesario la instalación de obras de encauzamiento.
-
Se recomienda colocar obras de protección de estribos, el cual debe consistir en alas de concreto con 45º de desviación, en dirección al terreno.
BIBLIOGRAFÍA.
