UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS GEOLOGÍA Y CIVIL

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“ESTIMACION DE CAUDALES MAXIMOS”

INTEGRANTES : PARADO CORONADO, Zunilda: QUINTANILLA JUSCATA, Bethzabé: VALENZUELA RAMÍREZ, Jorge André: VENTURA LÓPEZ, Raúl: ZÚÑIGA RAMOS, José Antonio

AYACUCHO – PERÚNOVIEBRE 2012

INTRODUCCIÓNLa estimación de caudales máximos asociados adeterminados periodos de retorno de diseño esfundamental en muchas aplicaciones de la Ingeniería.Para diseñar:Las dimensiones de un cauceSistemas de drenaje

- agrícola- agrícola- aeropuerto- ciudad- carretera

Muros de encauzamiento para proteger ciudades yplantacionesAlcantarillasVertedores de demasíasLuz en puentes

INTRODUCCIÓN

Se debe calcular o estimar el caudal de diseño, que paraesos casos, son los caudales máximos.

La magnitud del caudal de diseño, es función directa delperíodo de retorno que se le asigne, el que a su vezdepende de la importancia de la obra y de la vida útil dedepende de la importancia de la obra y de la vida útil deésta.

En la determinación de valores extremos normalmentese estará en alguno de los siguientes escenarios:

• Caso de un río con registros de Qmax

• Caso de un río sin información de Qmax

INTRODUCCIÓNEl primero de los casos normalmente se abordahaciendo uso de las distribuciones probabilísticasmás usuales:NormalLog Normal de 2 ParámetrosLog Normal de 3 ParámetrosLog Normal de 3 ParámetrosGamma de 3 Parámetros o Pearson tipo IIILog Gamma de 3 Parámetros o Log Pearson tipoIIIGumbelDel cual se empleará la distribución de mejorajuste de acuerdo a los resultados obtenidos apartir de pruebas como Chi-Cuadrado oKolmogorov-Smirnov.

INTRODUCCIÓNEn el segundo caso, al no contarse con estaciones deaforo que proporcionen registros de descargas máximas,se tendrá que acudir a métodos alternativos, basados lamayoría de ellos en datos de precipitación máxima en 24horas y en las características físicas de la cuenca, paraasí inferir los caudales máximos asociados a un ciertoperiodo de retorno que podrían presentarse en la zona deperiodo de retorno que podrían presentarse en la zona deinterés de un proyecto en estudio.

El presente artículo pretende efectuar un breve repaso delos métodos más usuales disponibles para la estimaciónde Qmax, tales como:Método de la envolvente de descargas máximas deCreagerMétodo DirectoMétodo Racional

METODO DE LA ENVOLVENTE DEDESCARGA MAXIMA DE CREAGER

Este método, originalmente desarrollado porCreager, fue adaptado para el territorioperuano por Wolfang Trau y Raúl GutiérrezYrigoyen.La aplicación de este método permite laLa aplicación de este método permite laestimación de los caudales máximos diarios encuencas sin información, para diferentesperiodos de retorno, tomando el área de lacuenca como el parámetro de mayor incidenciaen la ocurrencia de caudales máximos.La formula es la siguiente:

La formula es la siguiente:

nmAATLogCCQ

**21max

Qmax; Caudal máximo para un periodo deretorno T seleccionado, en m3/s.

A; Área de la cuenca aportante, en km2.A; Área de la cuenca aportante, en km2.

T; Período de retorno, en años.

C1, C2; Coeficientes adimensionales de escala,por regiones hidráulicas.

m, n; Coeficientes adimensionales de escala,por regiones hidráulicas.

Según losautores, elterritorio peruanoquedasubdividido ensiete regioneshidráulicashidráulicasdiferenciables,tal como semuestra en elmapa:

Región C1 C2 m n

1 1.01 4.37 1.02 0.04

2 0.1 1.28 1.02 0.04

Para cada una de las zonas identificadas, seestablece el conjunto de coeficientes yexponentes indicados en la tabla siguiente:

TABLA Nº 1: COEFICIENTES ADIMENSIONALES PARA CADA REGIÓNHIDRÁULICA

2 0.1 1.28 1.02 0.04

3 0.27 1.48 1.02 0.04

4 0.09 0.36 1.24 0.04

5 0.11 0.26 1.24 0.04

6 0.18 0.31 1.24 0.04

7 0.22 0.37 1.24 0.04

Cabe señalar que, en general, a pesar de susimplicidad, este método es bastante preciso.

Ejemplo: Determinar el caudal máximo para una cuencaubicada en la región Ayacucho entre las provincias deSucre y Víctor Fajardo, para el diseño de una defensa

ribereña. El área de la cuenca es de 51.1 km2.

ESTACIONDEAFORO

Solución:Primero determinaremos el periodo de retornoteniendo en cuenta la siguiente formula deriesgo admisible.

n

TR

111

Donde: R; riesgo admisible (%)

T; periodo de retorno (años)

n; vida útil de la obra (años)

El valor de “R” se obtiene de la siguiente tabla.

TIPO DE OBRARIESGO ADMISIBLE (**)

(%)

Puentes (*) 25

Alcantarillas de paso de quebradas importantes y

badenes30

Alcantarillas de paso de quebradas menores y

descarga de agua de cunetas35

Drenaje de plataforma (a nivel longitudinal) 40

TABLA Nº 2: VALORES MÁXIMOS RECOMENDADOS DERIESGO

ADMISIBLE DE OBRAS DE DRENAJE

Subdrenes 40

Defensas ribereñas 25

(*) -Para la obtención de la luz y nivel de aguas máximasextraordinarias.

Se recomienda un periodo de retorno T de 500 años para elcálculo de socavación.(**) -Vida Útil considerado (n)

•Puentes y defensas ribereñas n = 40 años.•Alcantarillas de quebradas importantes n = 25 años.•Alcantarillas de quebradas menores n = 15 años.•Drenaje de plataformas y subdrenes n = 15 años.

Se tendrá en cuenta, la importancia de la vida útil de la obra adiseñarse.El propietario de una obra es el que define el riesgo admisible defalla y la vida útil de las obras.

Por lo tanto se considerara: n = 40 años

R = 25 %

Entonces, reemplazando en la formula seobtiene:

n

TR

111

T

T = 140 años

Los valores de C1, C2, m y n para la regiónhidráulica 6 son:

C1 = 0.18; C2 = 0.31; m = 1.24; n =0.04

Se procede a reemplazar los datos en lasiguiente formula.

A = 51.1 km2

T = 140 años

C1 = 0.18; C2 = 0.31

m = 1.24; n = 0.04

04.01.51*24.11.51*140*31.018.0max

LogQ

m = 1.24; n = 0.04

nmAATLogCCQ

**max 21

smQ /90.67max 3

Curso de Recursos HidráulicosCaudales Máximos

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

Método de sección y pendiente o HuellasMáximas

Este método se basa en la aplicación de la formula deManning

– Se estima después de a verse presentado una avenidamáxima .máxima .

– Los trabajos de campo incluyen

○ Selección de un tramo del río representativo,suficientemente profundo, que contenga al nivel de lasaguas máximas.

○ Levantamiento de secciones transversales en cadaextremo del tramo elegido.

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

1.Para determinar el caudal, se escoge un tramo de cauce pordonde ocurrió la avenida máxima, procurando que el tramotenga la pendiente lo más uniforme posible y la sección lomás regular.

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

2. Levantamiento Topográfico

Una vez determinado el sitio donde se ubicará laconstrucción de la estructura, es necesario obtener el perfilde la sección transversal por medio de un levantamientotopográfico

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

A1, A2 = áreas hidráulicas

P1, P2 = perímetros mojados

R1, R2 = radios hidráulicos

AAA RR

3. Determinar la pendiente S de la superficie libre del agua conlas huellas de la avenida máxima en análisis.

1

11

P

AR

221 AA

A

2

21 RRR

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

4. Elegir el coeficiente de rugosidad n de Manning de acuerdo alas condiciones físicas del cauce.

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

Métodos de estimación de avenidas máximas:Método directo

5. Aplicar la fórmula de Manning

Donde:

2

1

3

21

SARn

Q Donde:

Q = caudal máximo, m3/s

n = coeficiente de rugosidad

A = área hidráulica promedio, m2

R = radio hidráulico promedio, m

S = pendiente, m/m

n

RESTRICCION: para pequeñas cuencas dedrenaje no mayor a 13 km2.

PRINCIPIO: Parte de la suposición, que la máx.Escorrentia ocasionada por las lluvias es igual altiempo de concentración (tc).

Cuando esto ocurre toda la cuenca contribuye conel caudal en el punto de salida.

Si tc < duración →la cuenca contribuye pero la intensidad de lluvia es menor

Si tc > duración →el agua caída en los puntos +alejados no llega a la salida y la intensidad de lluvia es mayor.

Entonces según este planteamiento, la formula racional paracaudales máximos seria:

METODO RACIONAL

Q: caudal máximo (m3/s) C: coef. escorrentía, depende de cobertura vegetal, pendiente y tipo de suelo.

(adimensional) I: intensidad máxima de la lluvia, para una duración igual al tiempo de concentración

y para un periodo de retorno dado. A: área de la cuenca (km2)

6.3

CIAQ

¿Qué es tiempo de concentración?

El tiempo que transcurre desde que unagota de agua cae, en el punto masalejado de la cuenca, hasta la salida de

METODO RACIONAL

alejado de la cuenca, hasta la salida dela cuenca (estación de aforo).

Tomar en cuenta : Las dimensiones de lacuenca, pendientes, vegetación, otroshacen variar el tc.

Formas de hallar tc

- trazadores radioactivos

- Con las características hidráulicas de la cuenca.

- Estimando velocidades.

METODO RACIONAL

- Estimando velocidades.

Pendiente (%)

Vegetación densa

o cultivos

Pastos o

vegetación ligeraSin vegetación

0-5 25 40 70

5-10 50 70 120

10-15 60 90 150

15-20 70 110 180

METODO RACIONAL

Tiempo de concentración

Kirpich

385.03

0195.0

H

Ltc

58Lt

- Con formulas empíricas.

Australiana

George rivero

krapich

385.03

0195.0

H

Lt c

2.01.0

58

SA

Ltc

04.0)100)(2.005.1(

16

Sp

Ltc

77.0

5.098.3

S

Ltc

Determinación de la intensidad de lluviaPor formula:

A partir de la curva intensidad - duración -periodo de retorno.

3613.0

3682.0

.max 549.37D

TI

METODO RACIONAL

coeficiente de escorrentia (C)

La escorrentia es el agua que llega al cauce deevacuación y el valor de C depende de factorestopográficos, edafologicos y cobertura vegetal.

*En función de la cobertura pendiente y vegetación

Tipos de Pendiente

Textura

Franco

METODO RACIONAL

Tipos de

vegetación

Pendiente

(%) Franco

arenosa

Franco

arcillolimos

a- limosa

arcillosa

Forestal

0 – 5

5 – 10

10 - 30

0.10

0.25

0.30

0.30

0.35

0.50

0.40

0.50

0.60

Praderas

0 – 5

5 – 10

10 - 30

0.10

0.15

0.20

0.30

0.35

0.40

0.40

0.55

0.60

Terrenos

cultivados

0 – 5

5 – 10

10 - 30

0.30

0.40

0.50

0.50

0.60

0.70

0.60

0.70

0.80

Tipos de área drenada C

Áreas comerciales

Céntricas

vecindarios

0.7 – 0.95

0.5 – 0.7

Áreas residenciales

Familiares simples

Multifamiliares separadas

Multifamiliares concentrados

0.30 – 0.50

0.40 – 0.60

0.60 – 0.75

*Para zonas urbanas:

METODO RACIONAL

Multifamiliares concentrados

Semi-urbanos

Casas de habitación

0.60 – 0.75

0.25 – 0.40

0.50 – 0.70

Áreas industriales

Densas

Espaciadas

Parques, cementerios

Campos de juego

Patios de ferrocarril

Zonas suburbanas

0.60 – 0.90

0.50 – 0.80

0-10 – 0-25

0.10 – 0.35

0.20 – 0.40

0.10 – 0.30

Calles

Asfaltadas

De concreto hidráulico

Adoquinados

Estacionamientos

techados

0.70 – 0.95

0.80 – 0.95

0.70 – 0.85

0.75 – 0.85

0.75 – 0.95

Ejem: diseñar el caudal máximo para un periodo deretorno de 10 años

METODO RACIONAL

METODO RACIONAL

CONCLUSIONES

Los métodos presentados son de total aplicabilidaden las cuencas peruanas; más aún, al menos uno deellos han sido desarrollados tomando enconsideración la realidad de nuestro territorio.

En el estudio de proyectos reales, es recomendableEn el estudio de proyectos reales, es recomendablehacer uso de varios de los métodos presentados yluego, analizar los resultados obtenidos; momentoen el cual, la experiencia del especialista resultaesencial.