ESTUDIO HIDROLOGICO Y PROPUESTAS PARA … las mejores alternativas de solución al problema de...

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P l a n h i d r ad i s e ñ o e i n g e n i e r i a

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I N D I C E: �

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I.-ANTECEDENTES II.-CUENCA HIDROLOGICA III.- OBJETIVO IV.- ESTUDIO HIDROLÓGICO

IV.1.- Análisis de registros de lluvia IV.2.- Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia IV.3.- Obtención de gastos y volumen de escurrimiento máximos

V.- SELECCIÓN DEL PERIODO DE RETORNO VI.- ALTERNATIVA PARA EL CONTROL DE LOS ESCURRIMIENTOS PLUVIALES EN EL CENTRO COMERCIAL VII.- DISEÑO DE POZO DE ABSORCIÓN VIII.-CONCLUSIONES Y MANUAL DE MANTENIMIENTO


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I.-ANTECEDENTES.- El presente estudio fue realizado a solicitud de URNANISSA a través del Departamento de Proyectos, debido a la imperiosa necesidad de definir las estructuras para control del escurrimiento pluvial que pueden originar problemas de inundación en la zona en donde se ubica el CENTRO COMERCIAL SMART INDEPENDENCIA, mismo que se encuentra en etapa de desarrollo. La zona de estudio se localiza al Sur Oriente de la Ciudad, en el cruce de la Av. Talamás Camandari y Blvd. Independencia con una extensión de 11.3 hectáreas. II.-CUENCA HIDROLOGICA El Centro Comercial se encuentra del acuerdo con el Plan Sectorial de Agua Pluvial de ciudad Juárez 2003, comprendida en la cuenca cerrada denominada Zona VIII El Barreal ( figura 1) caracterizada por ser plana e inundable y parcialmente en las micro cuencas ZVIII.6.2 y ZVIII.8.2 (figura 2) Figura 1. Cuenca el Barreal (Fuente: Plan Sectorial de Agua Pluvial, Ciudad Juárez Chihuahua, 2005, IMIP).

Figura 1. Cuenca el Barreal (Fuente: IMIP, “Plan Sectorial de Agua Pluviual”).


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III.- OBJETIVO Analizar el comportamiento de los escurrimientos pluviales que se generan en el Centro Comercial, así como las características físicas de la cuenca que permitan identificar las mejores alternativas de solución al problema de inundaciones. Estimar los caudales pico y los volúmenes de escurrimiento que se pueden presentar para diferentes periodos de retorno, así como la selección del mismo para el diseño de las estructuras de control necesarias. IV.- ESTUDIO HIDROLÓGICO El estudio consiste en el análisis de los registros de precipitación en la zona, con la finalidad de evaluar de forma confiable los caudales máximos y los volúmenes que se pueden presentar para diferentes periodos de retorno. IV.1.- Análisis de registros de lluvia Para el presente estudio se utilizó la información de precipitación máxima en 24 hrs. consignadas en el Plan Sectorial de Manejo de Agua Pluvial de Ciudad Juárez. Del análisis de ajuste de probabilidades se adopto la distribución Exponencial, ya que es la que se ajusta mejor según el test de Smirnov-Colomogorov. PERIODO DE RETORNO EN AÑOS DISTRIBUCION 5 25 100 500 1000 1000 DISTRIBUCION NORMAL 55.08 70.2 79.77 88.95 92.47 102.92 DISTRIBUCION GUMBEL 51.05 70.22 86.04 104.26 112.09 138.09

DISTRIBUCION EXPONENCIAL

53.69 83.88 109.88 140.88 153.08 196.28

DISTRIBUCION LOG NORMAL 51.58 76.63 100.28 131.12 145.68 200.21 IV.2.- Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia La precipitación se define por tres variables: i) intensidad, ii) duración y iii) frecuencia. La intensidad es la precipitación total ocurrida (lamina en mm) en la duración de la tormenta; la frecuencia de la precipitación es también expresada por su periodo de retorno. En la figura 2 de las curvas Precipitación-Duración-Periodo de Retorno se concentran las características de las tormentas de una zona, con respecto a las variables: intensidad, duración y frecuencia.


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FORMULA DE CHENG-LUG-CHEN Chen (1983), presenta una formula general de intensidad de lluvia-duración-periodo de retorno, útil para estimaciones dentro del intervalo de 5 minutos a 24 hrs. y periodos de retorno mayores a 1 año. Pttr = a P1 10 LOG ( 102-F TrF-1 ) t 60 ( t + b)c En donde: Pttr = Altura de precipitación para una duración t y periodo de retorno tr. a, b y c = Parámetros en función del cociente R. F= Parámetro definido como el cociente: F = Pt 100 Pt 10

CURVAS INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10 100

DURACION (hrs)

PR

EC

IPIT

AC

IÓN

, EN

mm

/hr

Tr=5Tr=10Tr=25Tr=100


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TIEMPO PERIODO DE RETORNO EN AÑOS

(hrs)

5 25 100 500 1000

5 MIN 8.2 11.9 15.0 19.2 21.0

15 MIN 16.4 23.8 30.1 38.3 41.8

1.0 27.0 42.0 55.0 70.0 76.5

1.75 30.5 47.5 62.1 79.1 86.4

2.0 31.4 48.9 63.9 81.4 88.9

3.0 34.3 53.4 69.8 88.9 97.2

4.0 36.5 56.8 74.4 94.7 103.5

5.0 38.3 59.7 78.1 99.4 108.7

6.0 39.9 62.1 81.3 103.5 113.1

12.0 46.4 72.2 94.6 120.3 131.5

24.0 54.0 84.0 110.0 140.0 153.0


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Precipitación máxima en 24 hrs. en mm (Est. Juárez 1969 – 1996)

Año Chamizal C.M. Cd. Juárez Adoptado

1969 19.5 19.5 1970 36.2 36.2 1971 55.5 55.5 1972 38.2 38.2 1973 80.2 80.2 1974 52.7 52.7 1975 63.0 63.0 1976 28.1 28.1 1977 28.7 28.7 1978 62.5 62.5 1979 26.5 26.5 1980 31.9 31.9 1981 30.9 24.0 30.9 1982 53.9 51.0 53.9 1983 30.0 23.0 30.0 1984 38.7 50.0 50.0 1985 32.2 25.7 32.2 1986 30.5 24.0 30.5 1987 33.5 70.5 70.5 1988 28.3 35.6 35.6 1989 23.0 24.3 24.3 1990 29.4 34.9 34.9 1991 40.0 40.0 1992 44.0 44.0 1993 27.4 27.4


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IV.3.- Obtención de gastos y volumen de escurrimiento máximos Para la obtención de los gastos máximos se empleo el Software HEC-HMS desarrollado por el Gobierno Federal de E.U. para modelación hidrológica. Para el caso particular de este estudio se empleó la rutina del hidrógrama unitario y el modelo de pérdida de números de escurrimiento N del Servicio de Conservación de Suelos de E.U, las tormentas de diseño usadas para los diferentes periodos de retorno se construyeron a partir de las curvas Intensidad-Duración-Frecuencia, construidas por el I.M.I.P. y publicadas en el Plan Sectorial de Manejo de Agua. La simulación se realizó para los períodos de retorno de 5, 25, 100 y 500 años considerando duraciones de tormenta de 24 hrs. lo anterior para garantizar conservadoramente la estimación del volumen escurrido (criterio adoptado por el Plan Sectorial de Manejo de Agua Pluvial. Ciudad Juárez 2004, pag. 239). Para el diseño del volumen de almacenamiento de los vasos de captación se adoptó el periodo de retorno de 25 años con bordo libre con capacidad para contener el volumen correspondiente a un periodo de retorno de 100 años. En la simulación se analizó el caso más desfavorable, duración de tormentas de 24 hrs. y que las zonas están totalmente urbanizadas, de acuerdo con la distribución del uso del suelo y considerando el proyecto de urbanización del Centro Comercial, se calculó el número de curva de escurrimiento en N85:

Figura 2.-Ubicación del CENTRO COMERCIAL en Micro-cuencas ZVIII5.8 y ZVIII5.9


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En este punto es importante acotar que para fines del presente estudio y a solicitud de URNANISSA se consideró como cuenca de aporte a los vasos de captación propuestos “únicamente” el predio del CENTRO COMERCIAL SMART INDEPENDENCIA, sin embargo la cuenca de aporte a los vasos, en realidad puede ser mayor, ya que aguas arriba del predio existe una porción de terreno antes de llegar al parteaguas tal y como se muestra en la figura 3 Para desarrollo del estudio hidrológico se siguió el modelo conceptual mostrado en las figuras 3 y 4.

Figura 3.- Modelo conceptual


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Los datos requeridos por este método son: el coeficiente de escurrimiento, el tiempo de concentración, la intensidad de lluvia par Tc, y el área de la cuenca. Estimación de caudales y volúmenes escurridos mediante el modelo HEC-HMS.

Q(m3/s) m3 Q(m3/s) m3 Q(m3/s) m3 Q(m3/s) m3

Cuenca 1 0.00761441 3.94545217 0.0878 171.8500 0.1733 357.66 0.2492 532.87 0.3440 743.40Cuenca 2 0.01553458 5.84713966 0.1586 350.5200 0.3140 729.55 0.4521 1,087.00 0.6248 1,516.40Cuenca 3 0.01049884 3.61739689 0.1241 236.94 0.2445 493.15 0.3506 734.74 0.4833 1,025.00

Tr=100 Tr=500Cuenca Area Km²Tiempo de

Retraso (min)

Tr=5 Tr=25

Los datos de entrada al modelo son las tormentas de diseño para diferentes periodos de retorno y 24 hrs. de duración, obtenidas mediante las curvas intensidad-duración-frecuencia calculadas para ciudad Juárez, el área de la cuenca, la curva numero de escurrimiento y el tiempo de retraso (Lag time del SCS). Los resultados de la simulación para un periodo de retorno de cien años se muestran en la tabla anterior.

Figura 4.- División de micro cuencas propuesta


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V.- SELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO: De acuerdo con el manual de Ingeniería de Ríos, capitulo 3 “Estudio Hidrológico para Obras de Protección” 1993 de la Comisión Nacional del Agua se recomienda un periodo de retorno de 2 a 10 años para sistemas de drenaje de aguas pluviales, sin embargo el Plan Sectorial de Manejo de Agua Pluvial, Ciudad Juárez 2004 propone que los vasos de captación para control de escurrimientos de las sub-cuencas de la CUENCA ZONA VII EL BARREAL se diseñen para almacenar el escurrimiento de una tormenta con un período de retorno de 25 años con bordo libre para contener un tormenta con periodo de retorno de 100 años (pag. 239). Cabe mencionar que para el diseño de las estructuras de infiltración el Plan Sectorial de Manejo de Agua Pluvial determina que dichas estructuras deben de tener la capacidad de infiltrar el gasto escurrido en una tormenta en un periodo de retorno de 5 años en un plazo de 72 horas (Pag. 239). Por otro lado haciendo un análisis para seleccionar el período de retorno asociado al riesgo y vida útil de la obra, considerando que el vaso de captación para el control de escurrimientos pluviales requerirá un mantenimiento por lo menos de una vez cada tres años y de presentarse años lluviosos con mas frecuencia y una confiabilidad de 90% en ese año el periodo de retorno a seleccionarse será de 25 años. En este caso y considerando que a los vasos de captación llegaran escurrimientos superiores a los determinados en el presente estudio debido a que las zonas ubicadas al norte del CENTRO COMERCIAL forman la cuenca alta del mismo, el periodo de retorno que se recomienda seleccionar es 25 años, sin embargo es necesario reconocer que al presentarse avenidas con un periodo de retorno mayor se tendrán problemas de inundaciones, cuyo efecto estará regido por las condiciones de duración de la tormenta y distribución temporal de la lluvia entre otros factores.


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P( X � x ) = 1 / Tr

1P( X � x )

La probabilidad de que un evento ocurra dentro de un periodo consecutivo (N) se define por P N y por lo tantola probabilidad de no ocurrencia durante un periodo de tiempo consecutivo será (1-P)N

La ecuación para la probabilidad de riesgo queda definida como:

R =

N = Vida Util en años1

CALCULO DEL PERIODO DE RETORNORESULTADOS

DATOS A INGRESAR:R = 10.00% o 0.10

3 años

Confiabilidad = 90% Tr =

Lo anterior significa que el periodo de retorno para el diseño de una obra de control o proteccion hidráulica con una vida útil de 3 años

90.00% sera de 29 años .

ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO

28.98 años

y una confiabilidad de no ocurrencia del

1- (1-1/Tr)N

1- (1-R)1/NTr =

Vida Util =

El período de retorno es un factor predominante en Hidrología para el dimensionamiento de estructurasde control o protección, ya que de la elección de éste, depende el buen funcionamiento del mismo.

La definición del Período de Retorno es el tiempo transcurrido para la ocurrencia de un evento de igualo mayor magnitud y se determina mediante la ecuación:

Tr = =1 - P( X � x )

1


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VI.- ALTERNATIVA PARA EL CONTROL DE LOS ESCURRIMIENTOS PLUVIALES EN EL CENTRO COMERCIAL: El caudal pico y el volumen total de descarga para las tres cuencas y para el periodo de retorno seleccionado, se presenta en la siguiente tabla.

m3Area disponible profundidad profundidad

m2 calculada (m) adoptada (m)

Vaso 1 0.1733 357.6600 47.52 7.526515152 7.50Vaso 2 0.3140 729.5500 47.52 15.35248316 15.35Vaso 3 0.2445 493.1500 47.52 10.37773569 10.38

Volumen requerido de vasoVASOS Tr=25

Q (m3/s)

Como puede observarse en todos los casos se presenta un volumen considerable sobre todo por las características de capacidad de infiltración del subsuelo en la zona de estudio, el cual esta constituido por materiales granulares finos tales como arenas finas, limos y arcillas, que se encuentran de forma estratificada en el subsuelo y combinados entre sí en diferentes porcentajes. Se recomienda que la profundidad del las estructuras de filtración sea de 3.5 m. Debido al alto costo de inversión para la construcción de las estructuras de infiltración se solicita al I.M.I.P. y a la CNA que tome en cuenta el tránsito de avenida en la estructura más crítica y poder con esto determinar el número definitivo de las estructuras de Infiltración por cada micro-cuenca. Para esto será necesario determinar la capacidad de infiltración de las estructuras de infiltración. Para la selección del mecanismo para desalojar el volumen de agua que escurra en el CENTRO COMERCIAL mediante infiltración en el subsuelo, es necesario considerar entre otros los siguientes aspectos. � Características físicas del subsuelo � Topografía � Disponibilidad de terreno � Calidad del agua a infiltrar � Funcionalidad de la estructura (Mantenimiento y operación) � Etc.


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En este caso el agua que escurra por el CENTRO COMERCIAL al presentarse alguna tormenta estará turbia y con contenidos de sólidos suspendidos y sedimentables altos, lo que requerirá de cierto pre-tratamiento (fig. 5) antes de proceder a infiltrarla al subsuelo. Esta preparación recomendable consistirá en una rejilla tipo Irving que detenga el material flotante, posteriormente pasa a través de una trampa de grasas y aceites que permite la entrada del agua pre-tratada al vaso de captación, el cual deberá tener un mecanismo de acceso a través de escalera marina para mantenimiento.

Fig. 5 Detalle de Canaleta (Retención de Aceites y Material Flotante) La superficie del vaso de captación consta de un filtro fomrado por una capa de arena la cual reposa sobre otr de grava con una membrana de geotextil antre ambas para evitar migración de material, por debajo de la grava exsite una cama de matacán (diámetro de 4 a 6”) el cual reposa sobre terreno natural filtrante.


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ESQUEMA DE ESTRUCTURA DE FILTRACION

Fig. 6 .-Captación e infiltración de Agua Pluvial Todos los componentes del sistema (entradas al vaso, disipadores, vaso de captación y almacenamiento, filtro rápido y filtro lento, tubería con geo-textil) deben de ser susceptibles de ser limpiados, mantenidos y operados para lograr tener así un buen resultado por lo menos una vez al año. VII.- DISEÑO DE POZO DE ABSORCIÓN: El agua que recibe el pozo de absorción forma un cono de recarga que es similar en su forma, pero contrario al cono de abatimiento que se forman en un pozo cuando se extrae agua.

La ecuación de la forma del cono deducida a partir de las hipótesis de Dupuit queda:

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Figura 7.- Conceptualización de Pozo de Absorción

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El diseño de los pozos de absorción se baso en el estudio de geotecnia realizado por el laboratorio y proporcionado por Laboratorios Ingeniaría de Suelos S.A. de C.V. (Anexo 1). C El caudal de infiltración necesariamente disminuirá conforme se colmate la zona radial adyacente al pozo, razón por la cual se proponen una serie de estructuras adicionales con la finalidad de aumentar la vida útil del pozo. Para definir el número de vaso de captación, el Plan Sectorial para la zona del Centro establece que se debe diseñar para evacuar un volumen de agua correspondiente a una tormenta con preriodo de retorno de 5 años (Tr=5) en un tiempo de 72 horas sin embargo se sugiere que el vaso de captación sea vaciado en un periodo de 72 horas considerando un volumen de Tr=25. debido a que en los últimos años se a observado precipitaciones mayores a Tr=5. Según estos criterios se procedió a realizar el cálculo del número de estructuras de Infiltración por vaso de captación, el cual se presenta a continuación:

m3Area disponible profundidad profundidad

m2 calculada (m) adoptada (m)

Vaso 1 0.1733 357.6600 47.52 7.526515152 7.50Vaso 2 0.3140 729.5500 47.52 15.35248316 15.35Vaso 3 0.2445 493.1500 47.52 10.37773569 10.38

Volumen requerido de vasoVASOS Tr=25

Q (m3/s)

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Sin embargo si realizamos un tránsito de avenidas en el vaso (lo que entra menos lo que se infiltra) se determina que debido a la alta capacidad de infiltración del suelo los volúmenes para almacenar y la profundidad disminuyen. Lo anterior se muestra en la tabla siguiente, así como también el hidrograma transitado, en donde se puede observar que la micro-cuenca más crítica es la del vaso 2.

m3 Area disponible profundidad profundidadm2

calculada (m) adoptada (m)

Vaso 1 0.1733 177.7378 47.52 3.74027406 4.00Vaso 2 0.3140 357.1751 71.28 5.010873426 5.00Vaso 3 0.2445 175.5408 47.52 3.694040067 4.00

Volumen requerido de vaso Transitado Q (m3/s)

VASOS Tr=25

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HIDROGRAMA

-50.000

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

1 132 263 394 525 656 787 918 1049 1180 1311 1442

TIEMPO EN MINUTOS

VO

LUM

EN

M3

HIDROGRAMATRANSITADO

Fig. 8.- Grafico de Tránsito en el vaso. Para un Tr100. (Una sola estructura de infiltración).


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VII.-CONCLUSIONES Y MANUAL DE MANTENIMIENTO: Conclusiones:

� El predio se dividió para su estudio en tres micro cuencas, (ver fig. 8). � Se tomó la Tormenta de diseño de 24 Hrs. de TR 25. � Se eliminarán las grasas y aceites a través de una trampa de grasas. � Debido al alto coeficiente de permeabilidad y al area de infiltración se

obtienen gastos de infiltración altos, lo que podría ayudar para disminuir las estructuras de infiltración.

Figura 8.- División de micro cuencas propuesta


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MANUAL DE MANTENIMIENTO:

� Es conveniente que se tomen medidas preventivas para el manejo de los escurrimientos que eventualmente pueden llegar hasta los vasos de captación y que provengan de los predios localizados aguas arriba del CENTRO COMERCIAL SMART INDEPENDENCIA, siendo una alternativa viable: que se construyan estructuras de control en esa zona, evitando con eso que lleguen al predio del Centro Comercial.

� El método constructivo del pozo caja de absorción se sugiere sea mediante

excavación mecánica y preferentemente sin lodos de perforación (bentonita) que pudiera modificar las propiedades hidráulicas del suelo. Se debe tener especial cuidado en no modificar de forma adversa las condiciones de permeabilidad del suelo alrededor de la estructura de infiltración durante la construcción del mismo.

� Mantener limpias las estructuras de entrada a los vasos de captación,

incluyendo las rejillas, recomendado cuando menos limpieza antes del inicio de la temporada de lluvias y de ser necesario después de cada una de las precipitaciones importantes que se presenten.

� Realizar trabajos de limpieza superficial a las estructuras a base de arena

gruesa, incluyendo la tubería de entrada al vaso, cuando menos una vez por año antes del inicio de la temporada de lluvias y de ser necesario después de cada una de las precipitaciones importantes que se presenten.

� Retirar el forro de geo-textil y limpiarlo cuando menos una vez por año

antes del inicio de la temporada de lluvias.

� No obstante todas las previsiones aquí consideradas, con el transcurso del tiempo, el pozo tenderá a la colmatación, razón por la cual en el momento en que disminuya sustancialmente la capacidad de infiltración, aún después de la limpieza, será necesario remplazarlo por otro nuevo.

� Es conveniente señalar que estas recomendaciones para el mantenimiento

y operación de las estructuras de control de escurrimientos pueden modificarse, haciéndose más frecuentes o bien más distantes las acciones de limpieza según la operación misma lo requiera, ya que pueden variar con las condiciones de precipitación de un año al otro.

� Los vasos de captación podrán ser construidos en cualquier momento para

dar solución solamente a la captación del agua, esta se recomienda sea retirada por los medios que se consideran más apropiados, esto para que el


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vaso este disponible para captar escurrimientos, evitando inundaciones en las vialidades.

� Los trabajos de construcción de la estructura de infiltración se iniciarán

solamente cuando se tengan suministrados y puestos en el lugar de la obra la totalidad de los materiales para su construcción y evitar tener expuesto el pozo ante las precipitaciones pluviales que se puedan presentar. Cabe señalar que se deberán realizar todas las acciones necesarias para asegurar que el agua no ingrese al pozo hasta que se encuentre totalmente terminado.

Cd JUárez, Chih., a Febrero del 2008 �

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