CONTENIDO

ESTUDIO HIDROLOGICO e HIDRAULICO - PUENTE WEQWES OCUMARITUC - LLAMPUYACU

CARRETERA HUANACOPAMPA MONTECHACA VILLA AURORA

CONSULTOR: Ing. Joel Ore Iwanaga

e-mail: joeliwanaga@yahoo.es

1. RESUMEN:En el presente estudio se realiza el anlisis hidrolgico de las Cuencas: Quebrada Weqwes, Quebrada Llampuyacu y Ocumariyuc, para drenar sus aguas hacia el ro Huarccamayo, a travs de estructuras hidrulicas que no impidan el normal funcionamiento de la CARRETERA HUANACOPAMPA MONTECHACA VILLA AURORA, para la cual se utiliza las curvas IDF, de las ecuaciones del convenio IILA SENAMHI UNI, desarrolladas para duraciones de lluvia menores a 3 horas, considerando diferentes periodos de retorno (50 y 100 aos).

As mismo se construye el Hietograma de diseo mediante el mtodo de bloques alternos propuesto por V.T. Chow, y luego para la transformacin se hace uso del hidrograma adimensional del SCS, mediante el programa HEC-HMS.

Tambin el estudio contempla el anlisis hidrolgico para el diseo hidrulico de alcantarillas y badenes, los mismos que se disearon utilizando las ecuaciones regionales del IILA SENAMHI UNI, coeficientes de escorrenta de la zona, programas Flow Master y Hydroculv.

2. CARACTERISTICAS DE LAS CUENCAS EN ESTUDIO:

2.1 Quebrada Weqwes.El punto de aforo de la quebrada Weqwes (construccin del Puente), se encuentra ubicado a una latitud de 1383 y una longitud 7332. Adems presenta las siguientes caractersticas, obtenidas de la carta nacional, para el rea de estudio:

rea de la cuenca de drenaje: 39.18 Km2

Longitud del curso principal: 10.73 Km.

Altitud ms alta (inicio del curso principal): 3580 msnm.

Altitud ms baja (punto de aforo): 1827.94 msnm.

Tiempo de concentracin: 49.73 minutos.

2.2 Quebrada Llampuyacu.

El punto de aforo de la quebrada Llampuyacu (construccin de la estructura hidrulica), se encuentra ubicado a una latitud de 1392 y una longitud 7325. Adems presenta las siguientes caractersticas:

rea de la cuenca de drenaje: 5.90 Km2

Longitud del curso principal: 3.72 Km.

Altitud ms alta (inicio del curso principal): 2400 msnm.

Altitud ms baja (punto de aforo): 1701.38 msnm.

Tiempo de concentracin: 20.84 minutos.

2.3 Quebrada Ocumariyuc.

El punto de aforo de la quebrada Ocumariyuc (construccin de la estructura hidrulica), se encuentra ubicado a una latitud de 1355 y una longitud 7347. Adems presenta las siguientes caractersticas:

rea de la cuenca de drenaje: 3.29 Km2

Longitud del curso principal: 2.23 Km.

Altitud ms alta (inicio del curso principal): 3150 msnm.

Altitud ms baja (punto de aforo): 2075 msnm.

Tiempo de concentracin: 9.78 minutos.

3. METODOLOGIA PROPUESTA:

Se propone la siguiente metodologa de trabajo:

Para el desarrollo de los clculos correspondientes a la obtencin de los hidrogramas de mximas avenidas en cada una de las cuencas de las Quebradas en anlisis, se ha desarrollado el siguiente procedimiento:1. Mediante la metodologa propuesta por el Convenio de Cooperacin Tcnica: IILA SENAMHI UNI, se ha procedido a construir las curvas IDF para duraciones menores a tres horas utilizando la ecuacin de Talbot, mediante un ajuste de mnimos cuadrados, para periodos de retorno de 50 y 100 aos. (Ver Anexo).

2. Elaboracin de graficas de Precipitaciones de diseo para duraciones menores de 3 horas, utilizando las ecuaciones planteadas por el IILA SENAMHI UNI, para periodos de retorno de 50 y 100 aos (Ver Anexo).

3. Elaboracin del Hietograma de tormenta de diseo para un periodo de retorno de 50 y 100 aos, mediante el mtodo de bloques alternos (Ver Anexo).

4. La metodologa para el estudio de hidrologa de avenidas de las cuencas Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, est fundamentada en el uso de un modelo determinstico- conceptual para la conversin de precipitacin en escurrimiento, usando el modelo HEC-HMS del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (U.S. Army Corps of Engineers, 2000), el mismo que servir para obtener los hidrogramas de mximas avenidas. Considerando para la transformacin precipitacin escorrenta, lo siguiente:

Tasas de Perdidas: - Metodo Perdida inicial - Tasa constante.

La conversin de precipitacin a escurrimiento se efectu mediante:

Mtodo Hidrograma unitario del SCS.

Se hizo uso del Hietograma de diseo encontrado en el punto 3, para las dos cuencas analizadas.

4. HIDROGRAMAS DE MAXIMAS AVENIDAS:

Para construir los hidrogramas de mximas avenidas en las cuencas de inters seleccionadas se proceder de la siguiente manera:

4.1 Calculo del Hietograma de precipitacin de diseo.

Este hietograma ser construido mediante el mtodo del bloque alterno (Chow 1994), para aplicar dicho mtodo, primero se obtendr las intensidades mximas presentadas en la regin de Ayacucho, mediante las ecuaciones propuestas por el IILA SENAMHI UNI para periodos de retorno de 50 y 100 aos, cuyas ecuaciones regionales de recurrencia son las siguientes:

Para duraciones menores a 03 horas:

En el Anexo se presentan los resultados obtenidos aplicando la ecuacin de Talbot junto con el mtodo de mnimos cuadrados y finalmente la construccin de la Curva IDF.

En la Tabla 01 se presenta el resumen de las ecuaciones obtenidas mediante las formulas de Talbot para diferentes periodos de retorno para las cuencas de Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc para duraciones menores a 3 horas:

TABLA 01: Ecuaciones para las curvas IDF en funcin de las intensidades, duracin (menores a 03 horas) y tiempo de retorno.

Tr (aos)AbEcuacin

502148.61955.904

1002333.03555.904

D : duracin en minutos.

Las Figuras del anexo muestran las curvas IDF para las quebradas Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, para duraciones menores a 03 horas dado a partir de las ecuaciones del IILA SENAMHI UNI y la formula de Talbot.

Para construir el hietograma de diseo, mediante el mtodo de los bloques alternos, se hace uso de las curvas IDF, encontradas para periodos de retorno de 50 y 100 aos, considerando un tiempo total de duracin de lluvia efectiva de 03 horas, desde las 15:00 horas hasta las 18:00 horas. El hietrograma de diseo fue calculado en intervalos de tiempo de 20 minutos, habiendo considerado la fecha del evento mximo el da 12 de Diciembre de 1998 (Evento Extremo - Fenmeno del Nio). En las Tablas presentadas en el Anexo se muestran los clculos mediante el mtodo del bloque alterno para periodos de retorno de 50 y 100 aos.

Calculo de los hidrogramas de avenida de diseo.

Para el clculo de los hidrogramas de diseo, se har uso del programa HEC HMS (USACE 2001), para cada una de las Cuencas de las quebradas Weqwes, Llampuyacu y Ocumariyuc, realizando el siguiente procedimiento:

Calculo de las tasas de perdidas:

Para el clculo de las tasas de perdidas se utiliza el mtodo de Perdida Inicial - Tasa Constante desarrollado en el programa HEC - HMS:

Perdida inicial y tasa constante: Para este mtodo el SCS (Soil Conservacin Service 1986) sugiere que el rango de perdida inicial se encuentre dentro del orden del 10 20% de la lluvia total para reas forestadas y de 0.1 0.2 pulgadas para reas urbanas [05] y [06] De igual forma para calcular la tasa de perdida constante, la misma que puede ser considerada como la capacidad de infiltracin ultima del suelo. El SCS (1986) clasifico los suelos sobre la base de esta capacidad de infiltracin y Skaggs y Khaleel (1982) publicaron estimados de tasas de infiltracin para estos suelos. [05] y [06]. Cabe mencionar que las tasas de perdidas para las tres cuencas adyacentes unas a otras, presentan de acuerdo a la zona una tasa inicial de perdida igual a 4.00 mm y tasa constante igual a 2.00 mm/hr.

Transformacin de precipitacin en escorrenta:

El modelo utilizado para encontrar finalmente el hidrograma de escorrenta, ser el mtodo del Hidrograma adimensional del Soil Conservacin Service,

para este mtodo se hace necesario contar con las siguientes ecuaciones de clculo:

donde:

: caudal (m3/s.cm)

A : rea de la cuenca (Km2)

C : constante de conversin (2.08 en el Sistema Internacional)

: Tiempo de ocurrencia del pico (min)

donde: : duracin de la lluvia efectiva (min)

: tiempo de retardo (min)

Se considera:

donde: : tiempo de concentracin (min)

Tambin se recomienda que el intervalo computacional sea menor que 29% del tiempo de retardo (HEC - HMS [05] Y [06]

Para obtener los hidrogramas de mximas avenidas se ha considerado extender el tiempo de duracin de lluvia en dos horas mas, es decir desde

las 15:00 horas hasta las 20 horas del da 12 de Diciembre de 1998 (Hietograma de diseo)

Tr = 50 aos Cuenca Weqwes

Tr = 100 aos Cuenca Weqwes Tr = 50 aos Cuenca Llanpuyacu Tr = 100 aos Cuenca Llanpuyacu Tr = 50 aos Cuenca Ocumariyuc Tr = 100 aos Cuenca Ocumariyuc La vida til de la estructura hidrulica (Puentes) se asume en 50 aos, tomado en cuenta aspectos hidroeconomicos.

El resumen de los caudales para periodos de retorno de 50 y 100 aos, tomando en cuenta el riesgo de falla y la seguridad de la estructura, se muestra en la siguiente Tabla.

CAUDALES DE DISEO

TrVIDA UTIL

(aos)RIESGO DE FALLA DEL PUENTECaudal de diseo (m3/s) Mtodo SCS

WeqwesLlampuyacuOcumariyuc

505063.58154.4338.7721.98

1005039.50172.3042.9124.18

5. HIDRAULICA

5.1 GENERALIDADES

En este capitulo se analizar las secciones transversales de los tres puentes, las mismas que han sido ingresadas en el programa GSTARS, y permitir observar las principales caractersticas hidrulicas del tramo en estudio. Las secciones transversales se presentan en el anexo, al final de la investigacin.

El coeficiente de rugosidad fue estimado teniendo en cuenta la visita realizada por el Consultor a la zona de estudio, la misma que corresponde a: 0.070.

Los caudales presentados en cada una de las cuencas de las quebradas, se transitaran a travs de la lnea del talweg, obteniendo finalmente las alturas en las diferentes secciones transversales, as como en la ubicacin de los puentes, para un periodo de retorno de 50 aos.

5.2 DETERMINACION DE MAXIMOS NIVELES A PARTIR DEL PERIODO DE RETORNO DE DISEO.

Los mximos niveles a que alcanza el agua, cuando transita los caudales de mximas avenidas a travs de cada uno de los tres puentes, se muestra en el anexo: Secciones trasversales y perfiles de superficie libre de agua para diferentes tiempos (Programa GSTARS)

En el Anexo tambin se muestra los resultados de la simulacin hidrulica, en la cual se puede notar, la cota de elevacin del agua en diferentes secciones transversales, velocidad del flujo, numero de froude, para diferentes caudales, obtenidos a partir de los hidrogramas de mximas avenidas.

5.3 DETERMINACION DE LA ALTURA DE LOS ESTRIBOS.

Teniendo en cuenta los caudales de diseo, para los tres puentes y obtenida la simulacin hidrulica mediante el programa HEC HMS, se encuentra la altura de los estribos:

PUENTECAUDAL DE DISEONAMEALTURA DE ESTRIBOSALTURA TOTAL DE ESTRIBOS + SOCAVACION

WEQWES154.431825.793.505.5

LLAMPUYACU (*)38.771568.026.008.00

OCUMARIYUC21.981574.312.504.50

(*) Para la determinacin de la altura del Puente Llampuyacu, se ha tomado en cuenta el nivel de la cota de rasante de la carretera.

6. DETERMINACIN DE LA SOCAVACION

6.1 CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL

El objetivo consiste en calcular la erosin mxima general que se puede presentar en una seccin al pasar una avenida con el gasto de diseo mostrado en la tabla anterior, para cada uno de los puentes, los cuales tienes un periodo de retorno de 50 aos.

Para la determinacin de la socavacin general se presenta el criterio propuesto por Lischtvan Lebediev, el cual presenta la siguiente ecuacin:

Donde:

;

: dimetro medio (mm) de los granos de fondo.

Donde:

(Tirante medio de la seccin)

: Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida en estudio y cuyos valores se encuentran en la Tabla.

u : Coeficiente de contraccinLos resultados de socavacin general, para las tres quebradas, obtenidos mediante el mtodo de Lischtvan Lebediev se presentan en el Anexo, para la profundidad mxima en la lnea del talweg, para el periodo de retorno de 50 aos. Se considera por seguridad una socavacin igual a 2 m, teniendo en cuenta que son quebradas de fuerte pendiente, presentando entre su granulometra bloques de piedra de hasta 2.00 m. Los resultados en forma independiente de las secciones transversales donde se instalaran los puentes se presentan en el anexo, obtenidos mediante el programa Flow Master, donde se muestra el nivel mximo a que alcanza el agua en pocas de avenidas.

6.2 DETERMINACIN DE LA SOCAVACIN LOCAL EN LOS ESTRIBOS DEL PUENTE.MTODO DE FROEHLICH

Donde:

Profundidad de socavacin en m

Profundidad promedio del flujo sobre la inundacin de planicie en la seccin de aproximacin.

Factor de correccin por la forma del estribo.

Factor de correccin por el ngulo de ataque () del flujo.

Longitud del flujo activo obstruido por el estribo.

Numero de Fraude del flujo en la inundacin de planicie en la seccin de aproximacin.

FACTOR DE CORRECCION POR LA FORMA DEL ESTRIBO, K1

Con respecto al calculo de socavacin local, estos no se presentan, debido a la configuracin del lecho, en el mismo que se presentan bloques grandes de piedras, alcanzando hasta un dimetro de 2.00 m, producto de las pendientes pronunciadas que presentan los cauces (Llampuyacu 34%, Weqwes 16.12%, Ocumariyuc 15.29%). Estos bloques de piedra sirven como grandes disipadores de energa, no presentndose una socavacin local propiamente dicha.

6.3 CAUCE DE EQUILIBRIO DEL RIO TEORIA DEL REGIMEN.1. El lecho de los cauces estn acorazados y presentan pendientes pronunciadas, hasta del orden de 34%, por lo que no se considera aplicable la teora del rgimen, y para definir la Luz del puente se tendr que considerar un factor de seguridad sobre el nivel alcanzado por el caudal de mximas avenidas de diseo. Estos niveles mximos alcanzados para los caudales de mximas avenidas, se muestran en los planos respectivos.

7. DISEO HIDRULICO DE ALCANTARILLAS.

Se propone la siguiente metodologa de trabajo para el estudio hidrolgico de las alcantarillas:

Ser necesario contar con los datos de precipitacin de 24 horas de la estacin hidrometeorologica Pampa del Arco, la misma que tiene caractersticas similares a la zona de estudio y presenta una cota topogrfica similar.

Se utilizara las distribuciones probabilsticas de Gumbel y Log Pearson, para encontrar las precipitaciones de diseo en funcin a diferentes periodos de retorno.

Construccin de las curvas IDF, para diferentes periodos de retorno, mediante el mtodo del IILA SENAMHI UNI.

Luego del anlisis probabilistico, se concluye que ambas distribuciones probabilsticas se ajustan a la serie histrica de datos, para un nivel de significacin de 0.05 (95% de probabilidad de ocurrencia), mediante la prueba de Smirnov Kolmogorov.

Los tiempos de concentracin presentados en las cuencas de las quebradas de drenaje a travs de la carretera poseen tiempos de concentracin pequeos, menores a 15 min, resultando en intensidades de diseo variables para un periodo de retorno igual a 20 aos, para el diseo de las alcantarillas.

As mismo mediante la ayuda del programa Hydroculv, se ha obtenido los perfiles de la superficie libre del agua para ambos tipos de alcantarillas I, II. As mismo tambin se muestran las velocidades para diferentes secciones transversales de la alcantarilla (Long. = 4.00 m)En el Anexo se muestra en detalle el anlisis tpico para una alcantarilla de seccin circular de 24 y 36, mediante el programa Hydroculv. Como se puede notar de los clculos, la superficie libre de agua no supera la cota de la clave de la alcantarilla en ningn caso (Tipo I y II)

Para el diseo de las alcantarillas se ha considerado un rango de caudales: 0.06, 0.08, 0.10, 0.12 y 0.15 m3/s, como rango de caudales posibles a presentarse en las alcantarillas.

As mismo en los planos respectivos, se muestra en detalle las secciones transversales de las Alcantarillas Tipo I, II.

8. DISEO HIDRULICO DE BADENES.Para el diseo hidrulico de badenes, se sigue el mismo procedimiento descrito para alcantarillas.

Mediante el programa flow master se ha obtenido la cota de mximas avenidas, la misma que se encuentra contenida dentro de los badenes, tanto de 18 m, como de 25 m de luz (Ver Anexo).

9. CONCLUSIONES.1. El caudal de mximas avenidas de las 03 Quebradas, para un periodo de retorno de 50 aos, obtenido mediante el programa HEC HMS, segn la metodologa propuesta es:

PUENTE WEQWES: Q = 154.43 m3/s

PUENTE LLAMPUYACU: Q = 38.77 m3/s

PUENTE OCUMARIYUC: Q = 21.98 m3/s

2. La luz de los Puentes, recomendada desde un punto de vista hidrulico es igual a:

PUENTE WEQWES: L = 18.00 m.

PUENTE LLAMPUYACU: L = 15.00 m.

PUENTE OCUMARIYUC: L = 10.00.

3. La altura de los estribos de los tres puentes, incluyendo la altura de socavacin, corresponde a:

PUENTE WEQWES: AE = 5.50 m.

PUENTE LLAMPUYACU: AE = 8.00 m.

PUENTE OCUMARIYUC: L = 4.50 m.

4. Tomando en cuenta el caudal de diseo para los tres puentes y del calculo presentado en el Anexo, se asume por seguridad la socavacin generalizada igual a 2.00 m.

La altura de socavacin total de 2.00 m prev tambin posibles problemas de socavacin local que puedan presentarse, a lo largo de la vida til de los tres puentes).

5. Los niveles mximos alcanzados de la superficie libre del agua se presentan a continuacin en la siguiente Tabla para diferentes periodos de retorno:

PuenteAltura del nivel mximo de agua sobre la lnea del talweg (m)Altura libre sobre el nivel del agua hasta las vigas del puente

WEQWES1.831.67

LLAMPUYACU (*)2.004.00

OCUMARIYUC0.941.56

La altura libre se consider, tomando en cuenta el nivel de rasante de la carretera.

6. Es necesario tomar en cuenta las alas de ambos estribos, considerando un ngulo de 45 con respecto a la direccin del flujo.

7. Para el diseo de las alcantarillas se consider u periodo de retorno de 20 aos, y tiempos de concentracin menores a 15 minutos, haciendo uso de las curvas IDF, para la obtencin de las intensidades mximas de diseo, se llego finalmente a fijar que se consideraran, para el presente caso dos tipos de alcantarillas I y II, 24, 36 respectivamente.

8. El anlisis hidrulico para el diseo de badenes, se realizo, de igual forma considerando las curvas IDF, y los tiempos de concentracin menores a 15 minutos y un periodo de retorno igual a 20 aos. EL diseo hidrulico de badenes mediante el programa Flow Master, considero la inclusin de dos tipos de badenes I, II, 18 y 20 m, respectivamente.

10. BIBLIOGRAFIA:

[01] VEN TE CHOW, Hidrologa Aplicada, Mc. Graw Hill, 1994.

[02] MANUEL GOMEZ VALENTIN, Datos de lluvia en zona urbana, Dep. de Ingeniera Hidrulica, Martima y Ambiental. UPC, 2001.

[03] MANUEL GOMEZ VALENTIN, Lluvias de proyecto, Dep. de Ingeniera Hidrulica, Martima y Ambiental. UPC, 2001.

[05] US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center HYDROLOGIC MODELING SYSTEM HEC HMS, Technical Reference Manual, March 2000.

[06] US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center HYDROLOGIC MODELING SYSTEM HEC HMS, Users Manual, Version 2.1, January 2001.

[07] USDA SCS, Urban Hydrology for small watersheds, engineering division. Tr 55, June 1986.

[08] PONCE, VICTOR MIGUEL., Engineering Hydrology: Principles and Practices, Prentice Hall, USA 1989.

[09] CONVENIO DE COOPERACIN TCNICA: IILA, SENAMHI, UNI, Estudio de la Hidrologa del Per, Volumen III, Estudio de Avenidas, 1983.

EMBED Excel.Sheet.8

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_1727441741.unknown

_1727441838.xlsHoja1

Probabilidad Annual(%) de queCoeficienteVelocidad media enLongitud libre entre las dos pilas

se presente el gasto de diseola seccion (m/s)10131618

100.000.77Menor de 11.001.001.001.00

50.000.821.000.960.970.980.98

20.000.861.500.940.960.970.97

10.000.902.000.930.940.950.96

5.000.942.500.900.930.940.95

2.000.973.000.890.910.930.94

1.001.003.500.870.900.920.93

0.301.034 o mayor0.850.890.910.92

0.201.05

0.101.07

Factor de correccion por la forma del diqueK1

Pared vertical del estribo1.00

Pared vertical del estribo con aleros0.86

Hoja2

Hoja3

MBD000CBF00.unknown

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