ESTUDIO-HIDROLÓGICO- informe

MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE HUANCAYO __________________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________________ CONSTRUCCION COLEGIO DE DOS NIVELES – HUANCAYO – JUNÍN ESTUDIO HIDROLOGICO

CONTENIDO

INTRODUCCION

1.- ESTUDIO DE CUENCAS

1.1.- Consideraciones Generales.

1.2.- Cuenca del Rio Shullcas hasta la ubicación del puente Los Andes.

2.- ESTUDIOS HIDROLOGICOS

2.1 Generalidades.

2.2 Análisis Estadísticos de las Precipitaciones Máximas de 24 horas.

3.- ESTIMACION DE LAS DESCARGAS DE DISEÑO

3.1 Generalidades.

3.2 Métodos de la curva de clasificación de sudoso

3.3 Método de Dickens.

3.4 Método área - pendiente.

4.- ESTUDIOS HIDRAULICOS

4.1 Características hidráulicas de las zonas de estudio.

4.2 Máximos tirantes de agua.

4.3 Borde Libre.

4.4 Altura mínima de la parte inferior de las vigas del puente.

4.5 Dimensionamiento de la faja marginal

5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES



INTRODUCCION

El margen del rio Shullcas en la zona de San Carlos es una zona actualmente

descampada, pero que ha sido puesta en la mira de inversores diversos que ya

empezaron a adquirir terrenos en el lugar para la ejecución de proyectos. Tal es el

caso del Proyecto de la construcción de una escuela de dos pisos.

Para el estudio de construcción del mencionado plantel educativo es

necesario hacer estudios de Hidráulica e Hidrología a fin de evaluar los máximos

niveles de agua, profundidades de socavación, velocidades máximas, elevaciones del

nivel del cauce para así poder identificar la dimensión de la faja marginal propia del

río, gracias a lo cual se podrá determinar la distancia sobre la cual no se debe

construir la escuela, ni ninguna otra obra planteada en la zona.

El informe está dividido en cinco capítulos, en el capítulo 1 se estudian las

características generales de las cuencas: en el capítulo II se efectúan los estudios

hidrológicos, en el capítulo III se presentan los estudios de descargas, en el capítulo IV

se hacen los estudios hidráulicos y de socavación, y en el capítulo V se presenta las

conclusiones y recomendaciones.



CAPITULO I

ESTUDIO DE CUENCAS

1.1.- CONSIDERACIONES GENERALES

La cuenca del Huaytapallana no tiene registro de caudales, por lo tanto se

debe generar caudales a partir de datos de precipitación de la estación

Meteorológica ubicada en el Distrito de Huancayo, anexo de Acopalca, por lo

que se requiere el estudio de la respectiva cuenca.

En el plano “Delimitación de la Cuenca Hidrológica del Rio Shullcas" se muestra

la cuenca mencionada, que ha sido demarcada teniendo como base Las

Cartas Nacionales del Instituto Geográfico Nacional.

1.2.- CUENCA DEL RIO SHULLCAS HASTA EL PUENTE LOS ANDES

1.2.1.- Ubicación:

La cuenca del rio Shullcas hasta el puente, se encuentra ubicada en el

distrito de Huancayo y está comprendida entre las coordenadas UTM

8’862,052 N – 506,722 E (puente) de la Carta Nacional.

1.2.2.- Características Físicas:

a) Superficie de la Cuenca:

Cuenca en proyección horizontal basado en la carta nacional del

Instituto Geográfico Nacional (escala 1/50,000).

b).- Coeficiente de Compacidad:

Este coeficiente se obtiene de la relación entre el perímetro de la

cuenca de recepción y la circunferencia de un círculo cuya área

es igual al área de la cuenca.

𝑲𝒄 =𝑷

𝟐√𝝅𝑨



Donde:

Kc = Coeficiente de Compacidad.

P = Perímetro de la cuenca en km.

A = Área de la cuenca en K m2.

π = 3.14159

La cuenca de recepción hasta el puente tiene los siguientes

valores:

P = 28.49 km A = 43.63 Km2

Lo que da un coeficiente de compacidad de Kc = 1.33

Cuando el valor del coeficiente de compacidad se acerca a la

unidad, indica que la cuenca se aproxima más a una forma

circular. Con un coeficiente de compacidad igual a uno habrá

mayores oportunidades de crecientes ya que los tiempos de igual

concentración (Tc) desde diversos puntos de la cuenca serían

iguales.

c).- Factor de Forma (Ff)

Este factor es la relación entre el ancho medio de la cuenca y la

longitud del curso del agua más largo.

El ancho medio de la cuenca (Am) se obtiene dividiendo el área

de la cuenca entre la longitud del curso de agua más largo.

𝑭𝒇 =𝑨𝒎

𝑳

Donde:

Ff = Factor de Forma.

Am = Ancho medio en km.

L = Longitud más larga de la cuenca en Km.

La cuenca del río Shullcas tiene los siguientes valores.



A

L = 14.00 Am = ------------ = 7.45 km.

L

Por tanto el factor de forma es igual a Ff = 0.24

Cuando una cuenca tiene un factor de forma bajo, está menos

sujeta a grandes crecientes que otra cuenca del mismo tamaño

pero con un factor de forma mayor.

El valor del factor de forma que se obtiene para la cuenca del Río

Shullcas indica que esta cuenca es significativamente estrecha.



CAPITULO II

ESTUDIOS HIDROLOGICOS

2.1.- GENERALIDADES:

En la cuenca del río Shullcas en el período de lluvias está comprendido

aproximadamente entre los meses de diciembre a marzo, y por lo tanto es

entre estos meses donde ocurren las máximas avenidas. A partir del mes de

abril la frecuencia de ocurrencia de precipitaciones disminuye hasta alcanzar

su valor mínimo entre los meses de junio y agosto.

El estudio hidrológico tiene por objeto la determinación de las escorrentías

superficiales y de las máximas avenidas. Para este fin se ha obtenido

información hidrológica de la estación: PE Shullcas/Co-571/DRE-11 en del

SENAMHI, ubicada las coordenadas 10°02’55.3” Sur, 75°17’34.0” Oeste y altitud

3510 msnm.

2.2.- ANALISlS ESTADISTICO DE LAS PRECIPITACIONES MAXlMAS DE 24 HORAS

Las planicies involucradas en el presente estudio que confluyen en la cuenca

del río Shullcas, no disponen de registros de caudales. Es por este motivo que la

estimación de las descargas de diseño será efectuada en función de los datos

de precipitación máxima de 24 horas, disponibles en la estación PE Shullcas.

Para fines de análisis se ha tomado datos de 20 años (ver anexos).

Se adjunta los Datos Meteorológicos de la Estación/Co de Shullcas, en base al

cual se determinó la precipitación máxima de 24 horas (mm) de cada año y la

media aritmética de dichos datos.

Con los datos Meteorológicos se efectuó el análisis para la determinación de

las frecuencias con que determinadas precipitaciones máximas de 24 horas

serán igualadas o superadas. En este análisis se aplicó el método de Gumbel.

Según Snyder (Hidrográma Unitario) el tiempo de retardo está dado por:

𝑻𝟏 = 𝑪𝒕(𝑳, 𝑳𝒆) ∗ 𝟎. 𝟑 (𝒉𝒐𝒓𝒂𝒔)



Y el caudal pico unitario está dado por:

𝑸𝒑 =𝟐. 𝟕𝟖 ∗ 𝑪𝒑 ∗ 𝑨

𝑻𝟏 (𝒎𝟑/𝒔/𝒄𝒎)

Donde:

L = Longitud total del cauce principal del río, en km.

Le = Longitud del cauce desde la sección de estudio hasta un punto

cercano al centroide de la cuenca, en km.

A = Área de la cuenca en km2

Ct = Coeficiente asociado con el gradiente de la cuenca y con su

capacidad de almacenamiento.

Cp = Coeficiente que relaciona la base del Hidrográma con el tiempo

de retardo.

Finalmente el caudal máximo de diseño Qmax es determinado

multiplicando el caudal pico unitario Qp por la altura de la lámina de

precipitación efectiva Pe.



CAPITULO III

ESTIMACION DE LAS DESCARGAS DE DISEÑO

3.1.- GENERALIDADES:

Dado que no se dispone de datos de caudales se han estimado los caudales

de máximas avenidas a partir de datos de precipitación. Por otro lado se ha

tomado también como referencia las marcas dejadas durante el paso de

avenidas que han ocurrido anteriormente.

Para la determinación de las descargas de diseño se ha aplicado tres métodos:

El método de la Curva de Clasificación de Suelos, para el cálculo de la

precipitación efectiva.

El método de Área -- Pendiente.

El método de Dickens.

3.2.- METODO DE LA CURVA DE CLASIFICACION DE SUELOS:

El método de la curva de clasificación de suelos permite estimar el valor de la

escorrentía directa ó precipitación efectiva (Pe), en una cuenca de

características físicas determinadas, debido a una precipitación P. Una vez

determinado el valor de Pe, se procede a determinar el valor de la descarga

máximas de diseño Qmax mediante la aplicación del método del Hidrográma

unitario de Snyder.

La metodología utiliza la siguiente expresión, para el cálculo de la precipitación

efectiva Pe:

𝑷𝒆 =𝟎. 𝟏 ∗ (𝑷 − 𝟓. 𝟎𝟖𝟓 𝑺)

(𝑷 + 𝟐𝟎. 𝟑𝟐 𝑺)

Donde:

Pe = precipitación efectiva (cm)

P = precipitación de diseño (mm)

S = (1000 / CN) - 10 (pies)



CN = parámetro (Número de curva de escurrimiento) que indica el

potencial de infiltración, y que depende del tipo hidrológico del

suelo, uso del suelo, y de la condición antecedente de

humedad.

Determinada la lámina de precipitación efectiva Pe, se procede a calcular la

descarga máxima a partir de la expresión del Hidrográma de Snyder:

El Hidrográma de Snyder es un Hidrográma unitario sintético, en el cual se

distinguen los valores del tiempo de retardo y el caudal pico unitario, con lo

cual se calcula el Qmáx según la siguiente expresión:

𝑸𝒎𝒂𝒙 = 𝑷𝒆 ∗ 𝑸𝒑

Donde:

Pe = Precipitación efectiva (cm) = 1_07

Qp = Caudal pico (m3/seg/cm) = 12.52

Qmáx = 63,81 m3/seg.

Dada las características e importancia proyecto, se ha adoptado un período

de retorno de 20 años.

3.3.- METODO AREA - PENDIENTE:

Este método se basa en la aplicación de la fórmula de flujo uniforme en la

Quebrada, en el tramo de interés. Para este efecto ha sido considerada la

información obtenida en campo, la cual permitirá además contrastar los

valores estimados a través de los cálculos indirectos.

Considerando la existencia de un flujo uniforme, y tomando en cuenta las

marcas dejadas por los máximos niveles de agua, tirante máximo Y = 2.50 m;

durante la ocurrencia de avenidas pasadas, se estimó el caudal máximo según

la fórmula de Manning

𝑸 =𝑨𝑹𝟐/𝟑

𝒏𝒔𝟏/𝟐 .

Donde:

Q : Caudal

A : Área Mojada



P : Perímetro Mojado

R : A/P : Radio medio Hidráulico

S : Pendiente Longitudinal del Cauce

n : Coeficiente de rugosidad de lv1anning

Q = 59.50 m3/seg.

De los tres caudales calculados, seleccionaremos el de mayor valor, que está

dado por la correlación de la precipitación máxima de diseño Pmáx = 58.9 mm.

En un lapso de 24 horas según datos proporcionados por el SENAMHI, para un

período de retorno Tr de 20 años (calculado por el método de Gumbel), común

para éste tipo de estructuras.

Caudal máximo de diseño Qmaxd = 63.81 m3/seg.



CAPITULO IV

ESTUDIOS HIDRAULICOS

4.1.- CARACTERÍSTICAS HIDRAULICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO

4.1.1.- Gradiente Hidráulica.

La pendiente promedio de la superficie de agua de cada rio en el

tramo en estudio. Estas pendientes se determinaron teniendo en cuenta

el perfil longitudinal del río y en base a mediciones del gradiente

hidráulico efectuadas en el tramo de interés se tiene S=0,02

4.1.2.- Coeficiente de Rugosidad de Manning

El coeficiente de rugosidad de Manning asumido es n = 0.060. El valor

del coeficiente "n" de Manning ha sido determinado teniendo en

cuenta las características del cauce.

4.1.3.- Características Geométricas de la Sección de Interés:

En las tablas del No. 4.1 se muestra las características geométricas de la

sección transversal de la quebrada en la zona de ubicación del puente

y él gráfico Y vs. Q se muestra en los anexos.

TABLA 4.1

CARACTERISTICAS GEOMETRICAS EN LA SECCION DEL PUENTE

Y A P R A.R^2/3 Q

(m) (m2) (m) (m) (m 8/3) (m3/S)

0.50 1.33 7.86 0.17 0.40 1.05

1.00 4.88 13.75 0.35 2.45 6.31

1.50 9.64 16.80 0.57 6.66 17.18

2.00 16.18 23.93 0.68 12.47 32.20

2.50 25.08 31.05 0.81 21.75 56.15

3.00 40.43 54.49 0.74 33.14 85.57



4.2.- MAXIMOS TIRANTES DE AGUA:

Para el cálculo de los máximos tirantes de agua Ymáx. Se seleccionó la

avenida con un período de retorno de Tr = 20 años.

El tirante máximo calculado en base al caudal máximo de diseño es Ymáx =,

2.50 m para Qmáx (m3lseg) = 63.81 y Tr = 20.

Por otro lado según lo observado en campo se identificó la marca dejada por

el máximo nivel de agua durante la ocurrencia de avenidas siendo Ymáx = 2.l7

m.

Se determinó el tirante máximo de diseño teniendo en cuenta que es tan

importante el caudal obtenido en base a datos de precipitación, como la

marca dejada por avenida pasada, el tirante máximo de diseño asumido es

Ymáx. = 2.50 m.

4.3.- BORDE LIBRE:

Dado que el río, durante la ocurrencia de avenidas, transporta material flotante

como ramas, troncos, etc., el borde libre no debe ser menor que 1.50 mts., por

lo cual lo consideraremos 1.50 mts.

4.4.- VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN:

La velocidad de aproximación está referida a la velocidad que adopta el flujo

al presentarse b avenida de diseño. Para su cálculo se ha utilizado la fórmula

de Manning.

Para Qd = 63.81 m3/seg y n = 0.060

Y = 2.50 m V = 2.05 m/s

ESTUDIO DE SOCAVACIÓN

SOCAVACION:

La socavación que se produce en un rio no puede ser calculada con exactitud, solo

estimada, muchos factores intervienen en la ocurrencia de este fenómeno, tales como



a.- El Caudal

b.- Tamaño y conformación del material del cauce

c.- Cantidad de transporte de sólidos.

Las ecuaciones que se presentan a continuación son una guía para estimar la

geometría hidráulica del cauce del rio las mismas están en función del material de

cauce

SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE:

Es aquella que se producen a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida

debido 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

está dada por las siguientes expresiones:

Ve = 0.60 gd 1.18 b Hs x m/seg suelos cohesivos

Vc = 0.68 b d m 0.28 Hs x m/seg suelos no cohesivos

En donde:

Ve = Velocidad media suficiente para degradar el cauce en m/seg

gd = Peso volumétrico del material seco que se encuentra a una profundidad

Hs, medida desde la superficie del agua ( Ton/m3 )

b = Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida

que se estudia Ver tabla Nº 03

x = Es un exponente variable que está en función del peso volumétrico gs del

material seco (Ton/m3)

Hs = Tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer qué valor se

requiere para arrastrar y levantar al material (m)

dm = Es el diámetro medio (en mm) de los granos del fondo obtenido según la

expresión

dm = 0.01 S di pi



En el cual:

di = Diámetro medio en mm de una fracción en la curva granulométrica de la

muestra total que se analiza

pi = peso de esa misma porción, comparada respecto al peso total de la

muestra. Las fracciones escogidas no deben ser iguales entre si

(1) - Perfil antes de la erosión,

(2) - Perfil después de la erosión

Cálculo de la profundidad de la socavación en suelos homogéneos:

En donde:

a = Qd (Hm 5/3 Be m)

Qd = caudal de diseño (m3/seg)

Be = Ancho efectivo de la superficie del liquido en la sección transversal.

m = coeficiente de contracción ver tabla nº 01.

Hm = Profundidad media de la sección = Área / Be.

X = exponente variable que depende del diámetro del material y se encuentra



en la tabla Nº 02

dm = Diámetro medio (mm)

Tabla Nº 01

COHEFICIENTE DE CONTRACCION m

Tabla Nº 02

VALORES DE X PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS



Tabla Nº 03

VALORES DEL COHEFICIENTE b

El método que será expuesto se debe a K.F. Artamonov permite estimar la profundidad

de socavación. Esta erosión depende del Gasto que teóricamente es. Aceptado por

el espigón, relacionando con el gasto total que escurre por el río, del talud que tienen

los lados del estribo y del ángulo que el eje longitudinal de la obra forma con la

corriente. El tirante incrementado al pie de un estribo medido desde la superficie libre

de la corriente, está dada por:

SI = Pa Pq PR Ho

En que

Pa = coeficiente que depende del ángulo a que forma el eje del puente con la

corriente, como se indica en la figura siguiente; su valor se puede

encontrar en la tabla N" 4.

Pq = coeficiente que depende de la relación Q1/Q, en que Q1 = es el gasto

que teóricamente pasaría por el lugar ocupado por el estribo si éste no

existiera y Q. es el gasto total que escurre por el rio. El valor de Pq puede

encontrarse en la tabla Nº 5.

PR = coeficiente que depende del talud que tienen los lados del estribo, su

valor puede obtenerse en la tabla Nº 6.

Ho = tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosión.



DETERMINACION DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION

TIPO DE CAUCE = (ver cuadro adjunto)

CAUSE TIPO

SUELO COHESIVO 1

SUELO NO COHESIVO 2

A.- Cálculo de la socavación general en el cauce:

Hs = profundidad de socavación (m) 63,81 m3/seg

Qd = caudal di) diseño 24, 37 m

Be = ancho efectivo de la superficie de agua (luz libre) 2.50 m

Ho = tirante antes de la erosión (Ymáx) 2.05 m / seg

Vm = velocidad media en la sección (velocidad de aproximación)

m = coeficiente de contracción. Ver tabla N° 1 0.970

gd = peso especifico del cauce (mat. Fluvio - aluvional) 2.30 Tn/m3

dm = diámetro medio (d 10%) 0.85 mm

x = exponente variable. Ver tabla N° 2 0.405

Tr = Periodo de retorno del gasto de diseño 20.00 años

b = coeficiente que depende de la frecuencia del caudal de diseño. V 0.97

A = área de la sección hidráulica 22.22 m2

Hm = profundidad media de la sección 1.650 m

a = 1.172

Entonces:

Hs = 4,61 m.

ds = Profundidad de socavación respecto al fondo del cauce

ds = 2.16 m

2



Asumimos

ds = 2.50 m

4.5.- DIMENSIONAMIENETO DE LA FAJA MARGINAL

Para poder dimensionar de forma correcta la faja marginal del rio, hay que

tener en cuenta algunos criterios como:

Orientación del eje actual y lecho del río.

Características geomorfológicas del lecho y áreas colindantes.

Zonas en donde exista excesiva socavación, que conlleve a la ganancia

de terrenos aledaños.

Teniendo en cuenta estos criterios, se realizó la delimitación de la faja marginal

del río en ambas márgenes en gabinete como resultado de la aplicación de los

criterios técnicos fijados en campo, normas vigentes, situación actual del río y

riberas, características sociales de la población del valle, competencia

institucional e interinstitucional, replanteo de datos en el campo.

Determinándose las áreas inundadles con el programa HEC RAS, identificación

de riberas del río mediante huellas de máximas avenidas, cálculo de máximas

avenidas por diferentes metodologías dando una área segura para las

descargas y más un área de acceso a considerarse como camino de

vigilancia y reforestación. Este ancho de la faja es constante en todo el tramo

con un valor de 10 metros en ambas márgenes según lo establecido en el R.J.

300-2011-ANA.



CAPITULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1.- CONCLUSIONES

1. Debido a la falta de información de registros de caudales del rio

Shullcas, nos hemos visto en la necesidad de trabajar con información

de precipitaciones proporcionadas por la estación metereológica más

cercana (PE Shullcas), lo cual es válido para éste tipo de cálculo. La

avenida de diseño considerada es de Qd = 63.31 m3 / s, que

corresponde a un período de retorno de Tr = 20 años.

2. Durante la ocurrencia de la avenida de diseño se espera que el flujo

tenga las siguientes características:

. Tirante máximo Ymáx = 2.50 m.

. Velocidad máxima de aproximación: V = 2.05 m/s

Se estima que para la avenida de diseño la socavación general sería

de:

dsg = 2.50 m.

5.2.- RECOMENDACIONES:

1. Al ser el ancho de la faja marginal de 10 metros, los proyectos de

edificación planteados en la zona deberán estar fuera de este ancho

con el fin de evitar inundaciones y pérdidas posteriores en momentos de

máximas avenidas probables y eventuales.

ESTUDIO-HIDROLÓGICO- informe

Documents

Transcript of ESTUDIO-HIDROLÓGICO- informe