Tesis aguas lluvias

8/20/2019 Tesis aguas lluvias

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Universidad Austral de ChileFacultad de Ciencias de la Ingeniería

Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles

“PROYECTO DE MODIFICACIÓN Y DISEÑOCOLECTOR DE AGUAS LLUVIAS, SECTOR BARRIO

ESTACIÓN, VALDIVIA”

Tesis para optar al Título de:Ingeniero ivil en Obras iviles

Profesor Guía:Sr. Luis Collarte Concha

Ingeniero Civil. M.Sc. en Ingeniería CivilEspecialidad Hidráulica Mecánica de Suelos

DAISY MARIOLY VASQUEZ VEGA VALDIVIA – CHILE

2012


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ÍNDICE DE CONTENIDOS.

CONTENIDO PÁGINA

ÍNDICE DE CONTENIDOS.

ÍNDICE DE FIGURAS.

ÍNDICE DE TABLAS.

RESUMEN.

SUMMARY.

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN. 1

1.1.- GENERALIDADES. 1

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 3

1.3.- OBJETIVOS. 4

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL. 4

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 4

1.4.- METODOLOGÍA. 5

CAPÍTULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO. 6

2.1.- ANTECEDENTES GENERALES. 6

2.2.- CUENCA APORTANTE. 7

2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS. 9

CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL. 13

3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS. 13

3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA. 15

3.2.1.- PERÍODOS DE RETORNO DE DISEÑO. 16


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3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 17

3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA. 18

3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACION PARA CUENCAS RURALES O PREVIAS A

SER URBANIZADAS. 19

3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS. 20

3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO. 21

3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF 24

3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF. 25

3.2.4.2.- ESTIMACIÓN DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIA DIARIA

26

3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACIÓN Y FRECUENCIA. 30

3.2.5.- ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1 HORA. 33

3.3.- CAUDALES DE DISEÑO. 34

3.3.1.-METODO RACIONAL. 35

3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 36

3.3.1.2.- AREA APORTANTE. 37

3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 37

3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS. 39

3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS. 39

3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS. 40

3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN. 42

3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN. 43

3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO A. 43

3.4.2.1.2.- CÁMARAS TIPO B. 47


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CONTENIDO PÁGINA

CAPÍTULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO. 484.1.- GENERALIDADES. 48

4.2.- ANTECEDENTES. 48

4.3.- BASE DE CÁLCULO. 49

4.3.1.- TIPO DE OBRA. 49

4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO. 49

4.4.1.- ÁREAS APORTANTES. 50

4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 53

4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO. 56

4.4.4.- ANTECEDENTES PLUVIOMETRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO. 57

4.4.4.1.- PRECIPITACIÓN MÁXIMA DIARIA. 57

4.4.5.-DETERMINACIÓN DE CURVAS I-D-F. 57

4.4.5.1.- DURACIONES ENTRE 1 Y 24 HORAS. 57

4.4.5.2.- DURACIONES MENORES A 1 HORA. 61

4.4.6.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 63

4.4.7.-INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 65

4.4.8.- CAUDAL SOLICITANTE DE AGUAS LLUVIAS. 66

4.4.9.- CÁLCULO DEL CAUDAL DEL CANAL. 67

4.4.9.1.- ÁREA APORTANTE AL CANAL. 67

4.4.9.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 68

4.4.9.3.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 69

4.4.9.4.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 70

4.4.9.5. - CAUDAL SOLICITANTE DEL CANAL. 71


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4.4.10.- CAUDAL FINAL DE DISEÑO. 72

4.4.11.- DISEÑO DE LA RED DE COLECTORES. 72

4.4.11.1.- CRITERIOS HIDRÁULICOS CONSIDERADOS. 74

4.4.12.- VERIFICACIÓN DE LOS DIÁMETROS. 75

4.4.13.- VERIFICACIÓN DE LA VELOCIDAD. 66

4.4.14.- MURO DE BOCA PARA LOS TUBOS DE CEMENTO COMPRIMIDO. 79

CAPÍTULO V.- PLANOS. 81

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES. 86

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 88

ANEXO A. MECÁNICA DE SUELOS.

ANEXO B. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ESPECIALES DE AGUAS LLUVIAS.

ANEXO C. PRESUPUESTO ESTIMATIVO.


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ÍNDICE DE FIGURAS.

CONTENIDO PÁGINA

CAPITULO II.-

FIGURA 2-1A: CUENCA APORTANTE EXISTENTE. 7

FIGURA 2-1B: CUENCA APORTANTE AL CANAL EXISTENTE. 8

FIGURA 2-2: SECTOR CON PROBLEMAS DE INUNDACIÓN Y DE EMPLAZAMIENTO DEL

NUEVO COLECTOR. 8

FIGURA 2-3: RED DE COLECTORES EXISTENTES. 10

FIGURA 2-4: TUBO DE PVC 500MM DE DESCARGA AL CANAL. 11

FIGURA 2-5: TUBERÍA RECEPTORA 500MM AL FINAL DEL CANAL. 11

FIGURA 2-6: CANAL SIMPSON. 12

FIGURA 2-7: CÁMARA EXISTENTE A CONECTAR COLECTOR PROYECTADO. 12

CAPITULO III.-

FIGURA 3-1: CICLO HIDROLÓGICO. 16

FIGURA 3-2: CÁMARA TIPO A. 46

FIGURA 3-3: CÁMARA TIPO B. 47

CAPITULO IV.-

FIGURA 4-1: ÁREAS APORTANTES. 51

GRÁFICO 4-1: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA, DURACIÓN ENTRE 1-

24 HORAS. 60

FIGURA 4-2: DISPOSICIÓN DE SUMIDEROS EXISTENTES. 64

FIGURA 4-3: ÁREAS APORTANTES AL CANAL. 67

FIGURA 4-4: SECCIÓN PARCIALMENTE LLENA. 72

FIGURA 4-5: MURO DE BOCA PARA TUBOS DE HORMIGÓN SIMPLE. 79


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ÍNDICE DE TABLAS.

CONTENIDO PÁGINA

CAPITULO III.-

TABLA 3-1: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISTINTA VIDA ÚTIL Y RIESGO DE FALLA .

17

TABLA 3-2: COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING. 20

TABLA 3-3: INTENSIDADES DE LLUVIA PARA DISTINTOS PERÍODOS DE RETORNO

(MM/H) 25

TABLA 3-4: PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 1,2 Y 3 DÍAS. 28

TABLA 3-5: COEFICIENTES DE DURACIÓN PARA 10 AÑOS DE PERÍODO DE RETORNO.

31

TABLA 3-6: COEFICIENTES DE FRECUENCIA. 32

TABLA 3-7: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA, PARA ZONAS URBANIZADAS. 38

TABLA 3-8. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA. 38

TABLA 3-9: VELOCIDADES MÁXIMAS ADMISIBLES. 41

TABLA 3-10: COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE MANNING PARA COLECTORES. 41

TABLA 3-11: ALTURAS CÁMARAS TIPO A. 44

CAPITULO IV.-

TABLA 4-1: ÁREAS APORTANTES. 52

TABLA 4-2: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL. 53

TABLA 4-3: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA PONDERADOS PARA CADA ÁREA

APORTANTE. 54

TABLA 4-4: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISEÑO. 56

TABLA 4-5. COEFICIENTE DE DURACIÓN, 1-24 HORAS. 58

TABLA 4-6. COEFICIENTE DE FRECUENCIA. 59


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ÍNDICE DE TABLAS.

CONTENIDO PÁGINA

TABLA 4-7: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24 HORAS. 59

TABLA 4-8: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24HORAS. 60

TABLA 4-9: COEFICIENTES DE DURACIÓN, 5-60 MINUTOS. 62

TABLA 4-10: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS.

62

TABLA 4-11: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS . 63

TABLA 4-12: TIEMPO DE CONCENTRACIÓN DE LA CUENCA. (MORGALI Y LINSLEY) . 65

TABLA 4-13: ÁREAS APORTANTES AL CANAL. 68

TABLA 4-14: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 69

TABLA 4-15: RESUMEN DE DISEÑO COLECTORES. 72

TABLA 4-15: CUADRO DE CAMARAS. 72


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RESUMEN.

La presente memoria de título, trata del diseño y modificación de un colector de

aguas lluvias ubicado en el sector Barrio Estación de la ciudad de Valdivia.

Este colector evacuará las aguas lluvias que recibe el cauce Simpson,

provenientes de una cuenca aportante estudiada en esta memoria más el

caudal aportante por el canal, el cual en algunas oportunidades ha excedido

su capacidad de porteo, provocando inundaciones a la población aledaña.

En su parte medular se describen los parámetros hidrológicos e hidráulicos

utilizados en el cálculo del colector, el cual se diseñó para un período de

retorno de 10 años recomendado para este tipo de obras.

Finalmente se entregan las soluciones y conclusiones que son requeridas para

ejecutar el proyecto más un presupuesto estimativo de éste.

SUMMARY

The already mentioned thesis, is about the design and modification of rainwater

trap located in the Barrio Estación sector of the city of Valdivia. This trap

drains the collected rainwater into the Simpson channel, that comes from a

contributing basin studied in this thesis as well as the contributing flow from

the channel, which on some occasions has exceeded its capacity, causing

flooding of the neighboring population.

At its core hydrologic and hydraulic parameters, used in the calculation of the

trap, are described, which was designed for a return time of 10 yearsrecommended for this type of work.

Then delivered solutions and conclusions that are required to implement the

project plus an estimated budget cost of this.


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CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.

1.1.- GENERALIDADES.

Debido al actual crecimiento y desarrollo de la ciudad de Valdivia, el tema de

las inundaciones es un conflicto patente en distintos sectores de esta ciudad.

Principalmente este problema se debe a varios factores que se presentan

actuando individual o combinadamente, entre estos se pueden mencionar el

incremento de suelos pavimentados y como consecuencia cada vez menos

suelos con cobertura vegetal, aumento de techumbres provocado por laurbanización, sumado a la disminución de la vegetación en las zonas aledañas

a la ciudad, implica un aumento de caudal que debe ser evacuado por las redes

de aguas lluvias existentes. Otro tema importante referido a las inundaciones

es la falta de mantención de las redes e infraestructura de los sistemas de

aguas lluvias, los cuales ven sobrepasada su capacidad hidráulica debido a la

acumulación de sedimentos, escombros, etc.

También otro factor importante que participa en el problema de las

inundaciones y que se observa en algunas ciudades, es la existencia de las

redes unitarias de alcantarillado, las cuales evacuan aguas servidas y aguas

lluvias. Estas redes ven sobrepasada su capacidad de conducción, debido al

aumento de población que cada año incrementa el aporte de caudal. En el caso

de la ciudad de Valdivia, aproximadamente un 30% de las redes existentes

cumple esta función y estas se encuentran ubicadas en el sector centro y

centro sur de la ciudad.

Los cambios en el comportamiento de las aguas lluvias que producen las

nuevas urbanizaciones, generan la mayoría de las veces conflictos hacia aguas

abajo. Estos conflictos generalmente no están considerados en el diseño y la


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operación del sistema de drenaje de la cuenca inferior, y por lo tanto se

evidencian cada vez que ocurren precipitaciones de cierta magnitud. Dentro de

los eventos negativos más frecuentes se puede mencionar el aumento en la

frecuencia e intensidad de las inundaciones, inutilidad del sistema de

evacuación de aguas abajo a medida que se desarrolla la zona superior, erosión

y sedimentación de los cauces receptores, entre otros.

Entre todos los factores que pueden contribuir al incremento de las

inundaciones en los sectores urbanos, el principal problema es la destrucción

de los sistemas de evacuación natural los cuales no son reemplazados por

sistemas artificiales adecuados. Una manera de minimizar los efectos o lamagnitud de las inundaciones es reducir los caudales aportantes y sus

volúmenes, mediante la incorporación en la cuenca aportante de sistemas

tradicionales como son los colectores de aguas lluvias o en la implementación

de soluciones alternativas en lo que se refiere al almacenamiento temporal y la

infiltración de las aguas.

De acuerdo a esto, se debe evacuar las aguas superficiales en forma rápida y

oportuna. El logro de esto se alcanza construyendo estructuras que permitan

captar y controlar las aguas, para disponer su descarga en puntos donde no

causen problemas.

Para dar solución a lo anteriormente expuesto, el Ministerio de Obras Públicas

desarrolló Planes Maestros de Aguas Lluvias, en los cuales se definen lo que

constituye la red primaria de sistemas de evacuación y drenaje de aguas

lluvias, mediante el uso de colectores. En el caso de la ciudad de Valdivia, ésta

cuenta con un Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias

desarrollado el año 2002, conforme a la ley 19.525 de noviembre del año 1.997.

(DOH, 2002).


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1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Específicamente la problemática que conlleva a este estudio, es el tema de la

inundación que provoca el canal perteneciente al cauce Simpson, el cual porteaaguas lluvias de la cuenca de estudio indicada de la Figuras 2-1a-b. Este canal

atraviesa sitios formados por viviendas familiares, los cuales en temporada

invernal se ven afectados por el aumento de caudal de este cauce debido a las

aguas lluvias.

En la perspectiva de contribuir con la solución al problema de las aguas lluvias

antes mencionado, es que se realizó un estudio tomando en cuenta todos los

antecedentes técnicos y legales aplicables para así dar solución a la

problemática, realizando la construcción de un nuevo colector el cual recibirá

la descarga que recibe el cauce Simpson.

El punto más alto de este colector absorbería las aguas provenientes aguas

arriba de la cuenca de estudio indicada en la Figura 2-1a, mientras que el

punto más bajo sería conectado a una cámara de inspección existente que

conecta a un colector de la red primaria ubicado en Avenida Simpson.

El sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo colector

es el que se indica en la Figura 2-2.


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1.3.- OBJETIVOS.

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL.

Definir un proyecto de modificación y diseño de colector de aguas lluvias que dé

solución al problema presentado, construyendo un nuevo colector que evacúe

las aguas lluvias que confluyen al cauce del canal Simpson, considerando todos

los aspectos técnicos y económicos que involucran su construcción.

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Describir y caracterizar el actual sistema de aguas lluvias

correspondientes a la ciudad de Valdivia, específicamente al sector

considerado.

Determinar la dependencia del caudal aportante respecto a las

características de la cuenca en estudio.

Reunir antecedentes pluviométricos y fluviométricos de la ciudad de

Valdivia.

Determinar el caudal aportante al sector de estudio.


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1.4.- METODOLOGÍA.

La metodología de trabajo empleada en la realización del proyecto se puede

resumir en los siguientes puntos:

Visitas a terreno para así identificar claramente el sector de estudio,

determinar características propias, infraestructura existente, etc. para así

obtener una visión general y familiaridad con el sector.

Recopilar información y antecedentes existentes de la cuenca en estudio,

como características hidrológicas y de relieve.

Realizar un levantamiento topográfico del sector, el cual será un factor

importante a la hora de determinar pendientes de escurrimiento, tiempos

de concentración y coeficientes de escorrentía.

Revisión de material bibliográfico existente respecto al cálculo de

sistemas de aguas lluvias.

Fijar criterios y parámetros para el cálculo del caudal aportante.

Estudiar alternativas técnicas y económicas para el trazado del nuevo

colector, así como la construcción de obras complementarias necesarias

para el funcionamiento de éste.

Con los puntos mencionados anteriormente, se espera contribuir a la solución

del problema descrito.


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CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO.

2.1.- ANTECEDENTES GENERALES.

Como se ha mencionado anteriormente, el sector de estudio del proyecto se

encuentra emplazado en la ciudad de Valdivia, capital regional de la Décima

cuarta región de Los Ríos.

La ciudad de Valdivia se encuentra ubicada en el hemisferio sur de América, a

39°42’ S de latitud y 73°15’ O de longitud, a 841 km aprox. de Santiago, capital

de Chile. Está emplazada en la confluencia de los ríos Calle-Calle, Valdivia -Cau-Cau y el río Cruces. Limita al norte con la comuna de San José de la

Mariquina, al noreste con Máfil, al este con Los Lagos, al sureste con Paillaco,

al sur con Corral y al oeste con el Océano Pacífico (DOH, 2002)

Según el Censo nacional, realizado en el año 2002 por el Instituto Nacional de

Estadísticas de Chile, Valdivia cuenta con una población total de 140.559

habitantes de los cuales 129.952 corresponden a población urbana y su

superficie urbana es de aproximadamente de 1.015, 6 km2 (INE, 2007).

El clima predominante en la ciudad corresponde al clima de costa occidental

con influencia mediterránea, propio de la depresión intermedia y la cordillera

de la costa. La precipitación media anual supera los 2.000 mm, siendo los

meses más lluviosos mayo, junio y julio, con una precipitación de entre 400 y

500 mm mensuales. (Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias

de Valdivia, DOH 2002)


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2.2.- CUENCA APORTANTE.

La zona del proyecto que se analiza está inserta en el estudio del plan maestro

de evacuación y drenaje de aguas lluvias de la ciudad de Valdivia y ésta sepuede dividir en dos sectores: Cuenca aportante al proyecto (Figura 2-1a-b) y

sector con problema de inundación y de emplazamiento del nuevo colector

(Figura 2-2). La cuenca aportante a su vez se subdivide formando dos cuencas,

la primera limita al norte con Avenida Ramón Picarte, al oriente con Avenida

René Schneider, al poniente con calle Ángel Muñoz y al sur con calles Nueva

Dos y San Luis, mientras que la segunda corresponde a un terreno de bienes

nacionales por el cual atraviesa el canal Simpson, limitando al norte con Pasaje

Simpson, al sur con Av, Picarte, al poniente con calle Hettich y al oriente con

Av. Simpson.

Figura 2-1a: Cuenca Aportante Existente.

FUENTE: Elaboración propia.


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Figura 2-1b: Cuenca Aportante al Canal Existente.


Figura 2-2. Sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo

colector.



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Para delimitar la cuenca de la Figura 2-1a-b, se ejecutó un estudio que

involucro la ejecución de la topografía del lugar, con la cual se determinaron

pendientes de escurrimiento, puntos singulares intermedios los cuales

delimitan el divorcio de las aguas lluvias. También se realizó un catastro en

terreno del tipo de techumbre, pavimentos y áreas verdes que componen la

cuenca, para luego determinar el coeficiente de escorrentía.

Esta cuenca aportante, aguas arriba del punto de descarga tiene un área de

16,8 hectáreas aproximadamente y se encuentra ubicada en un sector

industrial de baja densidad, residencial densa y semidensa. Cabe señalar que el

sector cuenta con todos los servicios completos como agua potable,alcantarillado de aguas servidas, calles pavimentadas y red eléctrica.

2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS.

La infraestructura de aguas lluvias existente en el sector está compuesta por

un sistema secundario de colectores, cámaras de inspección y sumideros, los

cuales captan las aguas provenientes de la cuenca antes mencionada en elcapítulo anterior.

La red de evacuación de aguas lluvias del estudio está compuesta por un

colector de PVC cuyo diámetro es 315 mm, ubicados en calle Errázuriz entre

Simpson y Koening, el cual conecta a un colector de PVC de diámetro 500 mm

ubicada en calle Koening, descargando las aguas captadas al canal

perteneciente al cauce Simpson. Ver Figuras 2-3, 2-4.

Por otra parte, existe un colector unitario de 800mm ubicado aguas abajo en

Avenida Simpson, el cual recibe las descargas provenientes del cauce Simpson,

descargando al Río Calle- Calle.


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Al realizar una inspección visual de los elementos que conforman la red, se

observa que el sistema existente funciona con problemas de embancamiento,

arrastre de piedras, hojas, sedimentos, además de no poseer la capacidad de

escurrimiento de los caudales de aguas lluvias a los colectores.

Figura 2-3: Red de colectores existentes.

FUENTE: Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias (DOH, 2002).


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Figura 2-4: Tubo de PVC 500mm de descarga al canal.

Figura 2-5. Tubería receptora 500mm al final del canal.


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Figura 2-6. Canal Simpson.

Figura 2-7. Cámara existente a conectar colector proyectado.


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CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL.

El siguiente capítulo hace referencia a la metodología de cálculo de redes de

aguas lluvias, el cual se basa en la aplicación de lo establecido en el Manual de

Carreteras, Volumen 3 (2001) y la Guía de Diseño y Especificaciones de

Elementos Urbanos de Infraestructura de Aguas Lluvias del MINVU (2005).

3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS.

Un sistema de alcantarillado de aguas lluvias es una red de tuberías utilizadapara conducir las aguas superficiales provenientes principalmente de una

tormenta. En estricto rigor el nombre debería ser alcantarillado de aguas

superficiales, ya que la infraestructura del sistema de drenaje no solo evacúa

aguas lluvias, sino también aguas provenientes de la red de agua potable,

canales desbordados, grifos operativos, etc.

El diseño de un sistema de alcantarillado de aguas lluvias involucra la

determinación de los diámetros, las pendientes y las elevaciones para cada tubo

del sistema.

Según Chow (1988) el diseño y drenaje de alcantarillados de aguas lluvias

puede dividirse en dos partes: predicción de la escorrentía y diseño del sistema.

Las siguientes restricciones y suposiciones son de uso común en la práctica de

diseño de alcantarillado de aguas lluvias, Chow (1988):

Existe flujo a superficie libre para los caudales de diseño; es decir, el

sistema de alcantarillado se diseña para “flujo gravitacional”; no se

considera estaciones de bombeo ni alcantarillado presurizados.


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El diámetro de diseño es el menor diámetro comercialmente disponible

que tenga una capacidad de flujo igual o mayor que el caudal de diseño y

que satisfaga todas las restricciones apropiadas.

Los alcantarillados de aguas lluvias deben colocarse a una profundidad

tal que no sean susceptibles de congelamiento, que sean capaces de

drenar sótanos y que tengan un colchón lo suficientemente grande para

prevenir los rompimientos debidos a cargas en la superficie del terreno.

Teniendo en cuenta esto, deben especificarse las profundidades de

recubrimiento mínimas.

Las alcantarillas deben estar unidas en los nodos de tal manera que la

elevación de la clave del alcantarillado de aguas arriba no sea inferior que

la del alcantarillado de aguas abajo.

Con el fin de prevenir o reducir la sedimentación excesiva de material

sólido en los alcantarillados, debe especificarse una velocidad de flujo

mínima permisible para el caudal de diseño o cuando el tubo fluya amáxima capacidad con flujo gravitacional.

Para prevenir la socavación y otros efectos indeseables causados por una

alta velocidad de flujo, también debe especificarse una velocidad máxima

permisible.

En cualquier nodo o pozo de inspección el alcantarillado de aguas abajo

no puede ser menor que cualquiera de los alcantarillados de aguas arriba

de ese nodo.


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El sistema de alcantarillado es una red dendrítica o con brazos que

converge en la dirección de aguas abajo sin ningún circuito cerrado.

3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA.

En el estudio y análisis de sistemas de evacuación de aguas lluvias es preciso

disponer de conocimientos básicos de hidrología, los cuales abordan al cálculo

del caudal que escurre en la cuenca hidrográfica. Cifuentes (2006), define la

hidrología como la ciencia que trata del agua en la naturaleza, sus

propiedades, distribución y comportamiento. En relación con la atmósfera

(hidrometeorología), la hidrología trata la lluvia y formas de precipitación, sus

causas, origen, ocurrencia, magnitud, distribución y variación, así como el

retorno de la humedad a la atmósfera por evaporación, sublimación y

transpiración.

La precipitación, percolación, escurrimiento y evaporación son etapas del ciclo

hidrológico. El agua que llega a la tierra, alguna cae sobre superficies

acuáticas, otra escurre sobre la tierra derivando en arroyos, ríos, lagos,

embalses o mares. Parte de ella retorna a la atmósfera por evaporación desdelas superficies acuáticas y terrestres así como por evaporación y transpiración

de las plantas y otra parte de las aguas infiltra en el suelo. A su vez del agua

que infiltra parte es retenida en superficie desde donde evapora, otra es tomada

por la vegetación para ser retornada a la atmósfera y el remanente infiltra hacia

abajo por gravedad hasta alcanzar el nivel freático, para formar el agua

subterránea. Se puede observar el funcionamiento de este ciclo en la figura 3-1.


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Figura 3-1: Ciclo Hidrológico.

FUENTE: http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

3.2.1.- PERÍODOS DE RETORNO DE DISEÑO.

El período de retorno puede definirse como el intervalo de tiempo promedio en

años en que un evento hidrológico es igualado o excedido una vez.

Un evento de una magnitud dada tiene un período de retorno de n años, si este

evento, en promedio, es igualado o superado una vez cada n años.

A un número cualquiera de años, se puede establecer que la probabilidad que

la variable sea mayor que un cierto valor (Q ) asociado a un período de retorno(T ) en el transcurso de una vida útil de (n ) años, que es lo que se denomina

riesgo de falla, puede calcularse con la expresión siguiente:

Prob (x > Q ) = Riesgo = 1-(1 - 1/T )n (3-1)


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A continuación se indican en la Tabla 3-1 algunos valores obtenidos del Manual

de Carreteras (2001) calculados con la expresión anterior, en los cuales se

determina el período de retorno asociado al riesgo de falla y vida útil de la obra.

Tabla 3-1: Períodos de retorno para distinta vida útil y riesgo de falla.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3 (2001)

3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.

El tiempo de concentración de una cuenca, corresponde al tiempo mínimo

necesario para que todos puntos de una cuenca estén aportando agua de

escorrentía de forma simultánea al punto de salida o desagüe. Está

determinado por el tiempo que tarda en llegar a la salida de la cuenca el aguaque procede del punto hidráulicamente más alejado de la salida.

El conocimiento del tiempo de concentración tiene interés práctico ya que al

seleccionar tormentas de duraciones mayores al tiempo de concentración, se

asegura que la superficie aportante es la máxima (MINVU, 2005).

Para calcular el tiempo de concentración de una cuenca se puede recurrir a

relaciones empíricas propuestas para cuencas similares, o a estimaciones

basadas en la velocidad esperada de la onda una vez definido el recorrido del

agua desde el punto más alejado hasta la salida.


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3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA.

Según MINVU (2005) se puede analizar el tiempo de concentración como el

camino que debe recorrer la onda desde la zona más alejada. Los primeroselementos pueden ser planos inclinados, como techos o patios. Después avanza

por cauces abiertos como zanjas o cunetas, para terminar en elementos de

drenaje como colectores, ya sean canales o tubos. Si se tiene N de estos

elementos en serie a lo largo del recorrido, el tiempo de concentración se estima

como:

T c= (3-2)

Dónde:

Tci: Tiempo de viaje en minutos en el elemento i .


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19

3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS RURALES OPREVIAS A SER URBANIZADAS.

Para cuencas rurales o previas a ser urbanizada se recomienda utilizar las

siguientes relaciones:

Cuencas rurales relativamente planas con escurrimiento preferentementesuperficial.

T c=0,0195 (Kirpich, 1940) (3-3)

Cuencas rurales no planas con escurrimiento preferentementeconcentrado

T c= 0,0203* ( (Kirpich, 1940) (3-4)

Las expresiones antes mencionadas son las mismas, la primera considera el

largo del plano del flujo y su pendiente promedio, mientras que la segunda

involucra el desnivel y largo del cauce principal.

.

Dónde:

T c: Tiempo de concentración en minutos.

L: Longitud del escurrimiento superficial en metros.

L 1: Longitud del cauce en metros.

S: Pendiente en metros por metros.

H: Desnivel en la cuenca en metros.


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20

(3-5)

3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS.

En cuencas ya urbanizadas, MINVU (2005) recomienda el uso de la fórmula

empírica de Morgali y Linsley (1965) para el cálculo del tiempo deconcentración, la cual es utilizable en cuencas relativamente planas, formadas

por patios, estacionamientos, parques, techos, calles, etc.

Dónde:

Tc: Tiempo de concentración, en minutos.

L: Longitud del escurrimiento superficial, en metros.

S: Pendiente, en metros por metro

I: Intensidad de la lluvia, en mm/hora.

n: Coeficiente de rugosidad de Manning de la superficie, según Tabla 3-2.

Tabla 3-2: Coeficiente de rugosidad de Manning.

FUENTE: MINVU (2005)

Tipo de superfic ie oefic iente n

Tubos de plastico 0,011

Tubos de cemento asbesto 0,012

Tubos de mortero comprimido 0,013

Calles de hormigon y asfalto 0,015

Techos 0,018

Jardines 0,025

Superficies de tierra 0,03

Superficies con vegetacion 0,05


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21

3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO.

Se define la tormenta de diseño como un patrón de precipitación para la

utilización en el diseño de un sistema hidrológico, la que conforma la entrada alsistema, y a través de este los caudales se calculan utilizando procedimientos

de lluvia escorrentía.

Las tormentas de diseño se basan en información histórica de precipitación en

un lugar o pueden construirse utilizando las características generales de la

precipitación en regiones adyacentes.

Las características principales de las tormentas, desde la perspectiva de usar la

información para diseñar sistemas de drenaje urbano o rural, son su período de

retorno, duración, magnitud e intensidad. Otras características secundarias

son la distribución temporal de precipitaciones para intervalos menores a la

duración total y la distribución espacial en una zona de mayor tamaño. (MOP,

2001).

Duración. Una de las primeras decisiones es escoger la duración de la

tormenta de diseño a utilizar, entendiendo por duración al total de

intervalos de lluvia. La importancia de la duración de la lluvia es evidente

ya que la intensidad media de la tormenta decrece con la duración y el

área aportante de la cuenca crece al aumentar la duración de la tormenta

La selección de la duración de la tormenta de diseño está influenciada

por factores del clima de la región en cuestión y por aspectos propios del

área aportante, tales como su tamaño, pendiente y rugosidad superficial.

Es usual que la duración de diseño sea igual al tiempo de concentración

del área aportante, definido como el tiempo necesario para que la gota

más alejada llegue a la salida.


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22

Magnitud e Intensidad. Luego de establecer la duración total del

temporal se debe decidir sobre la magnitud de la lluvia, o total de agua

caída durante el temporal. Existe una relación entre duración, magnitud

y probabilidad de ocurrencia, la cual normalmente se estudia y se

representa en familias de curvas intensidad-duración frecuencia (IDF) o

precipitación-duración-frecuencia (PDF).

La descripción y criterios para cuantificar estos parámetros, son los siguientes

(MINVU, 2005):

El período de retorno se selecciona de acuerdo al riesgo de falla que se

está dispuesto asumir para el sistema o elemento a dimensionar. En

proyectos de drenaje urbano de aguas lluvias se deben considerar dos

tipos de tormentas: una de diseño, con la cual se dimensionan los

elementos del sistema con períodos de retorno de 2 años, y otra de

verificación, con la cual se comprueba que para situaciones extremas no

ocurran problemas graves aunque se aceptan fallas e inconvenientes, quecorresponde a períodos de retorno de 100 años.

La duración total está relacionada con el tiempo de concentración de la

cuenca aportante, de modo de seleccionar una duración que genere el

máximo escurrimiento. Para el diseño de elementos de conducción la

duración de la tormenta debe seleccionarse siempre mayor o igual al

tiempo de concentración, recomendando una duración que no exceda al

tiempo de concentración por más del doble. Para el dimensionamiento de

obras de almacenamiento, como estanques o lagunas, debe considerarse

duraciones largas, típicamente de 24 horas para elementos de la red

secundaria.


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23

La precipitación total de la tormenta es una característica climática del

lugar que se puede obtener de las relaciones de Intensidad, Duración,

Frecuencia, IDF. Seleccionados el período de retorno y la duración, de

estas relaciones se obtiene la precipitación total de la tormenta.

La distribución temporal de la precipitación durante una tormenta es de

especial interés. Se debe adoptar distribuciones temporales de

precipitación realistas y que maximicen el escurrimiento que genera la

cuenca. Para estos efectos se recomienda diseñar la red secundaria con

tormentas que concentran su mayor intensidad al inicio.

La distribución espacial de las precipitaciones para una misma tormenta

es de interés cuando se analizan zonas extensas. Para el diseño de

elementos de la red secundaria se consideran tormentas espacialmente

uniformes en una urbanización.

La definición de la tormenta de diseño se caracteriza por la dificultad de

precisar y definir cuantitativamente las características del temporal, de lacuenca, la asignación de probabilidades a la tormenta y a la crecida resultante.

Si se cuenta con registros pluviográficos representativos del área de interés y

del análisis de dichos registros se pueden seleccionar tormentas que

representen situaciones adecuadas para el diseño. Otra situación bastante

usual corresponde a aquélla en la cual no existen registros adecuados y

representativos por lo que se debe simular tormentas que tengan

características similares a los escasos registros del área.

Para cualquier tormenta de igual o menor precipitación, duración o período de

retorno, el sistema debe operar sin fallas ni inconvenientes. Para controlar el

riesgo de falla del sistema, se fija un periodo de retorno de diseño, con lo cual


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24

se asegura la existencia de soluciones de similar calidad de servicio para el

público, (MINVU, 2005).

3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF.

Estas relaciones permiten caracterizar las tormentas en un lugar. Relacionan la

intensidad de variación de la lluvia de distintas duraciones con las distintas

probabilidades de ocurrencia. El uso de estas curvas es necesario para estimar

indirectamente el escurrimiento proveniente de cuencas pequeñas, en función

de la lluvia precipitada.

Estas curvas tienen usualmente una forma de tipo exponencial, donde la

intensidad, para una misma frecuencia, disminuye a medida que aumenta la

duración de la precipitación. Es común incorporar en el mismo gráfico las

curvas asociadas a diferentes frecuencias, en forma paramétrica, para obtener

la familia de curvas de un lugar en un mismo gráfico. A modo de ejemplo, se

incluye una tabulación con valores representativos de las curvas IDF para las

ciudades de Quilaco, Temuco, Pullinque, Valdivia, Osorno. Ver Tabla 3-3


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25

Tabla 3-3: Intensidades de lluvia para distintos períodos de retorno (mm/h)

FUENTE: Manual de Carreteras Vol.2 (2001)

3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF.

Estas curvas se construyen en base a un análisis estadístico de las lluvias

registradas en pluviógrafos de la zona, seleccionando la lluvia más intensa de

diferentes duraciones en cada año con el fin de realizar un estudio de

frecuencia con cada una de las series formadas. Se deben examinar los

hietogramas de las tormentas ocurridas en un año y de estos escoger la lluvia

correspondiente a la hora más lluviosa, a las dos horas más lluviosas, así

sucesivamente. Con los valores seleccionados se forman series anuales paracada una de las duraciones elegidas. Al realizar el análisis de frecuencia se

consigue asignar una probabilidad para la intensidad de lluvia correspondiente

a cada duración, la cual se acostumbra a representar en un gráfico único de


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26

Intensidad vs. Duración, teniendo como parámetro la frecuencia o período de

retorno.

3.2.4.2.- ESTIMACION DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIADIARIA.

La obtención de esta familia de curvas necesita de registros pluviográficos

continuos, los cuales son escasos y pocos extensos. Lo corriente es contar con

bastantes registros pluviométricos, los cuales sólo entregan observaciones de

lluvias diarias. Por ello, ha existido la preocupación de estudiar la relación

existente entre la lluvia caída y su duración, como una forma de obtener unaestimación para las lluvias de duración menor a 24 horas en función de las

lluvias diarias.

Este procedimiento requiere de dos etapas. Primero es necesario obtener una

estimación de la lluvia diaria, representativa del lugar de interés, asociada a un

período de retorno dado, normalmente de 10 años. Luego, a partir de este valor

se estiman valores asociados a otras duraciones y a otras frecuencias, haciendo

uso de coeficientes de duración y de frecuencia. Los coeficientes de duración se

definen como la razón entre la lluvia de una duración dada y la lluvia diaria de

la misma frecuencia. Análogamente, los coeficientes de frecuencia se definen

como la razón entre la lluvia de una determinada frecuencia y la lluvia de 10

años de período de retorno de la misma duración (MINVU, 2005).

Para el cálculo de la lluvia diaria de 10 años de período de retorno en base a

datos en el lugar de interés, si se cuenta con una estación pluviométrica

representativa, se debe recopilar la información de lluvias máximas diarias

registradas y se forma una serie anual de lluvias máximas diarias

seleccionando del registro el día más lluvioso de cada año. Esta muestra se

somete a un estudio de frecuencia, ajustándole a la muestra un modelo


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probabilístico. Como resultado de este proceso se obtiene la lluvia máxima

diaria asociada a un período de retorno de 10 años en el lugar de interés.

Si no se cuenta con registros observados, se puede obtener una estimación

recurriendo a los mapas de lluvias máximas diarias con 10 años de período de

retorno, publicados por la Dirección General de Aguas (DGA, Precipitaciones

máximas en 1, 2 y 3 días). Estos mapas se confeccionaron en base al análisis

de alrededor de 600 estaciones de registro del país (DGA, 1994). En la Tabla 3-

4 se resumen los valores de precipitaciones máximas de 24, 48 y 72 hrs. para

10 años de período de retorno en varias ciudades.


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Tabla 3-4: Precipitación máxima en 1,2 y 3 días.

FUENTE: DGA, 1994.

Los Coeficientes de Duración (CD) calculados para las duraciones entre 1 y 24

horas se presentan en la Tabla 3-5. Los coeficientes de duración para una hora,

excluyendo a Armerillo, que presenta un micro-clima muy especial, varían entre

0,12 y 0,20 con un promedio de 0,16 y una desviación típica de 0,03.


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29

El valor promedio encontrado para estaciones chilenas es bastante similar al

propuesto por el USBR (1965) al examinar las lluvias de diversos lugares de

Estados Unidos ubicados al oeste del meridiano 105. Sólo los valores

calculados para Armerillo difieren de la tendencia general, hecho explicable por

la gran magnitud que tienen las intensidades de las tormentas de 24 horas en

dicho sitio.

Para estimar las curvas IDF en base a la lluvia máxima diaria se puede utilizar

la siguiente expresión

(3-6)

Dónde:

Lluvia con periodo de retorno T años y duración D horas o minutos.

C : Coeficiente de corrección para la lluvia máxima PD10 medida entre 8 AM y 8

AM respecto de las 24 Hrs más lluviosas de la tormenta, para el que se ha

adoptado un valor C = 1,1

: Coeficiente de frecuencia.: Coeficiente de duración.

PD 10 : Precipitación diaria en milímetros para un periodo de retorno de 10 años.

Este valor depende del lugar de estudio y se obtiene de mapas de isoyetas o

lluvias diarias publicadas por la DGA o de análisis de frecuencia.

La expresión (3-6) es válida para lluvias de 1 a 24 horas de duración en la zona

estudiada.

Los coeficientes de duración y de frecuencia que sean aplicables al lugar de

estudio se obtienen de tablas publicadas por MOP (2001).


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30

3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACION Y FRECUENCIA.

El coeficiente de duración se define como la razón entre la lluvia caída en una

determinada duración y la lluvia caída en 24 horas, ambas para la mismafrecuencia.

El coeficiente de frecuencia se define como la razón entre la lluvia asociada a

un cierto período de retorno y la lluvia asociada a 10 años de período de

retorno.

A continuación se indican en la Tabla 3-5 los valores para el coeficiente de

duración de 10 años de período de retorno que establece el Manual de

Carreteras (2001). Estos coeficientes no varían en forma significativa para otras

frecuencias y por consiguiente se pueden usar para cualquier período de

retorno.

En la Tabla 3-6 se indican los Coeficientes de Frecuencia. Los coeficientes de

duración y de frecuencia se recomiendan para la estimación de curvas IDF

cuando solo se cuenta con información de lluvias diarias.


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Tabla 3-5: Coeficientes de duración para 10 años de período de retorno.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3, 2001.


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Tabla 3-6: Coeficientes de Frecuencia.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3, 2001.


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3.2.5.- ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1HORA.

Varios autores se han preocupado de estudiar la relación existente entre la

lluvia caída y su duración, como una forma de obtener una estimación para las

lluvias de duración menor a 24 horas en función de las lluvias diarias.

Bell (1969) estudió las razones entre lluvias de distintas duraciones e igual

frecuencia o períodos de retorno y también la razón entre lluvias de diferentes

períodos de retorno e igual duración, utilizando datos de un gran número de

estaciones ubicadas en una extensa zona geográfica. Los resultados obtenidos

son válidos para lluvias provenientes de tormentas de tipo convectivo con

duraciones entre 10 minutos y 2 horas. Las conclusiones obtenidas indican que

las razones, entre lluvias de distinta duración y/o distinto período de retorno,

llamadas coeficientes de duración y coeficientes de frecuencia respectivamente,

son muy constantes para todos los puntos indicados y el autor propuso su

aplicación en otras zonas para tormentas convectivas.

Entonces la precipitación de duración t, entre 5 y 120 minutos, y período de

retorno T , entre 2 y 100 años, se puede estimar en base a la precipitación deuna hora, 60 minutos, y 10 años de período de retorno como:

(3-7)

En que:

: Lluvia en mm de duración t minutos y T años de período de retorno.

T : Período de retorno en años.

t : Duración de la lluvia en minutos.


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Se recomienda el uso de la expresión (3-7) para obtener estimaciones de las

curvas IDF para duraciones menores a una hora, cuando no se cuente con

datos pluviográficos en el sitio de interés que permitan desarrollar una familia

de curvas IDF en el lugar.

Conocida la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno

T , la intensidad media, I , se calcula como:

se mide habitualmente en (mm / hora).

3.3.- CAUDALES DE DISEÑO.

Para determinar el caudal de diseño que se genera en una cuenca urbana

debido a una tormenta, se pueden emplear distintos procedimientos, los cuales

dependen de las características de la cuenca.

Actualmente el método más utilizado y difundido es el Método Racional debidoa su simplicidad, como también se recomienda el empleo del Método Racional

Modificado.

Cualquiera sea el método que se utilice, es preciso tener en cuenta que para

conseguir el fin buscado se requiere contar con información relevante,

adecuada y precisa. La calidad del resultado de los cálculos está ligada

estrechamente a la información hidrológica empleada.

(3-8)


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35

3.3.1.-MÉTODO RACIONAL.

Este método, el cual comenzó a utilizarse alrededor de la mitad del siglo XIX,

propuesto por Mulvaney en 1850 es el método probablemente más utilizado

para calcular el caudal de diseño en cuencas urbanas y rurales pequeñas. Su

uso es recomendado para cuencas cuyas áreas no superen las 2.500 há.

La idea detrás del método racional según Chow (1981), es que si una lluvia con

intensidad I empieza en forma instantánea y continua en forma indefinida, la

tasa de escorrentía continuará hasta que se llegue al tiempo de concentración

T c, en el cual toda la cuenca está contribuyendo al flujo en la salida. El

producto de la intensidad de la lluvia I y el área de la cuenca A es el caudal deentrada al sistema, I*A , y la relación entre este caudal y el caudal pick Q (que

ocurre en el tiempo T c) se conoce como el coeficiente de escorrentía C (0 ).

Esto se expresa con la formula racional de la siguiente forma.

(3-9)

Dónde:

Q: Caudal a la salida de la cuenca en m3/s.

I: Intensidad de la lluvia en mm/hora.

A: Área de la cuenca en km2

C: Coeficiente de escorrentía, adimensional.

El método Racional supone básicamente lo siguiente:

El caudal de escurrimiento en un punto cualquiera, es función del

promedio de intensidades de lluvia durante el tiempo de concentración.


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El “peak” de la lluvia ocurre en el tiempo de concentración.

Existe linealidad y constancia del coeficiente de escorrentía “C”.

Se debe destacar que este método usa sólo promedios de las

intensidades de lluvias que prevalecen durante el tiempo de

concentración. Este promedio no tiene relación con un modelo de lluvia

específico.

3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.

La intensidad de la lluvia de diseño corresponde a aquella con una duración

igual al tiempo de concentración del área y con una frecuencia o período de

retorno compatible con la importancia y trascendencia de la obra.

Al conocer la precipitación de una tormenta de duración D y período de retornoT , la intensidad I , se calcula como:

(3-8)

Dónde:

: Precipitación de duración D igual al tiempo de concentración y período de

retorno T .


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3.3.1.2.- ÁREA APORTANTE.

El área aportante comprende toda aquella superficie que aporta agua a un

cauce común. Como en la mayoría de las ocasiones el agua que cae sobre la

superficie lo hace en forma vertical, es la proyección horizontal del área,

perpendicular a la trayectoria de la lluvia, la que se estima. Este parámetro

usado en el método racional, es el único que puede ser determinado con

exactitud y su medición puede realizarse por observación directa en el terreno,

mapas o aerofotografía.

Los límites de estas superficies dependen de las pendientes existentes y de las

realizables artificialmente con el propósito de conducir el agua a los sumideroscorrespondientes, estos límites rara vez coinciden con las partes altas de la

cuenca.

3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

El coeficiente de escorrentía se define como la fracción del volumen total de

agua caída que escurre sobre la superficie del suelo, sin infiltrarse ni

evaporarse, en otras palabras indica la proporción de la lluvia total queparticipa directamente en el escurrimiento.

Este coeficiente depende de las características del terreno, uso y manejo del

suelo, condiciones de infiltración, nivel de urbanización, entre otros.

Para zonas ya urbanizadas se puede estimar el coeficiente de escorrentía de

acuerdo a la siguiente tabla:


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Tabla 3-7: Coeficiente de escorrentía, para zonas urbanizadas.

FUENTE: MINVU, 2005

También se puede calcular el coeficiente de escorrentía ya sea de una cuenca

urbanizada o por urbanizar, estimando un coeficiente ponderado según las

superficies de cada tipo de ocupación del suelo, calculando las áreas de cada

uno de los tipos siguientes, con los coeficientes de escurrimiento que se indican

en la Tabla 3-8.

Tabla 3-8: Coeficientes de escorrentía.

FUENTE: MINVU, 2005.


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39

En general se recomienda utilizar los valores medios de cada categoría, a menos

que se justifique el empleo de los valores mínimos. Si se desea considerar

condiciones de seguridad se pueden emplear los valores máximos indicados.

(MINVU, 2005).

El rango de valores indicados en las tablas son para tormentas típicas con

períodos de retomo de 2 a 10 años. Para tormentas mayores se recomienda

usar el valor más alto dentro de cada rango, o incluso valores mayores si se

estima conveniente.

3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS.

La red secundaria de un sistema de aguas lluvias está formada por colectores y

cámaras, que reciben el agua desde los sumideros y la conducen hacia un

punto de entrega.

3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS.

Los tubos de los colectores son generalmente circulares prefabricados de

materiales del siguiente tipo:

Tubo de mortero de cemento comprimido.

Tubería PECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso

molecular PVC.

Tubo SPIROPECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso

molecular, exterior corrugado e interior liso

Tubo gran flujo, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso

molecular, exterior corrugado e interior liso.

Tubería de PVC.

Tubo de acero corrugado.


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3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS.

Para las condiciones de diseño los colectores secundarios funcionarán con

escurrimiento libre. Para ello el diámetro de los colectores se selecciona de

manera que para el caudal máximo de diseño la altura de agua sea igual o

menor que 0,8 veces el diámetro D (Domínguez, 1999). Si la altura de agua es

igual a 0,8 D, la velocidad media del flujo, V, y el caudal, Q, están relacionados

con el diámetro del tubo, la pendiente longitudinal y el coeficiente de rugosidad

del material mediante las siguientes relaciones, basadas en la ecuación de

Manning:

Q= (i 1/2 *R 2/3 *A)/n (3-10)

V= (0,45*D 2/3 *i 1/2 )/n (3-11)

Dónde:

Q : Caudal, en metros cúbicos por segundo.

i : Pendiente de fondo del tubo, en metro por metro, (adimensional).

R : Radio hidráulico en metros.

D : Diámetro interior del tubo en metros.

n = Coeficiente de rugosidad de Manning. Tabla 3-2.

La velocidad del escurrimiento en un colector debe encontrarse dentro de un

rango determinado. La velocidad se encuentra acotada inferiormente de formatal que no se produzca depósito de material; dicha velocidad mínima, de

acuerdo a las recomendaciones habituales, es de 0,5 m/s (V. T. Chow, 1988).

Por otro lado, la velocidad no puede ser mayor a la máxima velocidad admisible,


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dependiendo del tipo de material que conforma el colector. Dichas velocidades

máximas se indican en la Tabla 3-9.

Tabla 3-9: Velocidades máximas admisibles.

FUENTE: Código de Normas Especificaciones Técnicas de Obras de

Pavimentación, MINVU, 2008.

El valor del coeficiente de rugosidad de Manning depende del tipo de material

del que está conformado el colector. Estos valores se indican en la Tabla 3-10.

Tabla 3-10: Coeficientes de rugosidad de Manning para colectores.

FUENTE: V. T. Chow, 1988.

Colector Velocidad

Maxima (m/s)

Tubo de cemento comprimido 4

Tuberia PVC 6

Tuberia polietileno 6

Colector Coeficiente de

Manning

Tubo de cemento comprimido 0,013

Tuberias de polietilieno 0,011

Tuberias de PVC 0,011

Tuberias de acero corrugado 0,025


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Adicionalmente MINVU (2008) recomienda que se tengan en consideración las

siguientes recomendaciones para tubos de colectores de la red secundaria:

Un diámetro mínimo de colectores, de 400mm.

Que la velocidad máxima del escurrimiento no sobrepase 4 m/s para

tuberías de mortero comprimido y los 6 m/s para tuberías de PVC o

similares.

Que la velocidad mínima del escurrimiento no sea inferior a 0,9m/s para

las condiciones de diseño. Para ello, se adopta la pendiente de fondo

correspondiente para los tubos. En el caso de tramos iniciales (antes de

la primera cámara), no es aconsejable que la velocidad sea inferior a 0,6

m/s.

Se pueden diseñar obras especiales y tramos en presión, como sifones

invertidos, si el proyecto lo requiere. En este caso se recomienda tomar

las medidas para evitar embanques y lograr una adecuada operación y

conservación.

3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN.

Las cámaras de inspección son estructuras que tienen como función la

inspección y limpieza de la canalización.

Las dimensiones de éstas son variables de acuerdo a la cota de las tuberías con

respecto a la cota del nivel de la calzada, y van ubicadas dependiendo de la

dimensión del ducto, ya que a un diámetro mayor del tubo corresponde un

espaciamiento mayor. Su ubicación también depende de las situacionessiguientes que obligan el uso de ellas:

Al cambiar el diámetro de las tuberías.

Al haber cambio de pendiente de las cañerías.

Al haber intersección de dos o más colectores.


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En cañerías iniciales.

Al haber cambio de dirección entre los tramos.

Cuando hay una caída exterior.

Al haber diferentes largos de tuberías (que depende del diámetro).

3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN.

El tipo de cámaras está normalizado atendiendo a razones de orden económicas

y funcionales. Se identifican por una letra y número, siendo la letra el tipo de

cámara y el número el tipo de radier.

Los tres tipos de cámaras de inspección son: tipo a, tipo b y cámaras

especiales o tipo c.

3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO a.

Solo se utiliza este tipo de cámaras cuando la altura “h” disponible desde el

radier hasta el nivel de calzada, es igual o superior a los valores indicados en la

siguiente tabla. En caso de no cumplirse dicho requisito se proyectan cámaras

tipo “b”.


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Tabla 3-11: Alturas cámaras tipo a.

FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de


Las cámaras tipo “a” están compuestas de las siguientes partes:

1. Cuerpo , estructura de forma tubular, cuyas paredes tienen un espesor de

0,15 m, diámetro interior 1,30 m y exterior 1,60 m. La altura del cuerpo no

deberá ser inferior a 0,60 m y la altura máxima 1,10 m.

2. Chimenea, estructura tubular cuya parte inferior empalma con la superior

del cono. Sus paredes tienen un espesor de 0,15 m. Su diámetro interior es de

0,60 m y exterior 0,90 m. La altura h1 de la chimenea es variable. Así, cuando

se tienen profundidades muy altas del radier, la chimenea más el cono podrán

alcanzar un máximo de 2,60 m. La mayor profundidad de la cámara deberá ser

absorbida por el cuerpo, aunque altura de este sea más de 1,10 m, con esto se

evita tener que dar profundidad excesivas a los tramos finales de los colectoresafluentes. La altura mínima de las chimeneas de las cámaras tipo deberá

tender a 0,25m incluyendo el anillo de la tapa, ya sea para vereda como para

calzada.

H (m) D (mm)

Altura disponible Diámetro máximo

sobre el radier de la canaleta

1,65 175

1,7 200

1,8 300

1,85 350

1,9 400

1,95 450

2 500


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3. Cono , estructura cuya forma es de tronco de cono recto. El espesor de sus

paredes es de 0,15 m, el diámetro interior basal es de 1,30 m. El diámetro

interior superior es de 0,60 m.

4. Banqueta , se denomina así al piso de la cámara. Corresponde a la estructura

que circunda a la canaleta o canaletas; nace desde el cuerpo en su parte

inferior y baja con pendiente del 20% hasta el borde de la canaleta.

5. Canaletas , son conductos abiertos que permiten el paso del agua a través de

la cámara, son por lo tanto la continuación de la tubería afluente, y entregan el

caudal a las cañerías efluentes. La altura de la canaleta es igual al diámetro de

la tubería a la cual va empalmada, y su forma es de canal circular hasta lamitad del diámetro, desde allí y hasta completar dicho diámetro las paredes son

rectas. La pendiente de la canaleta debe permitir el escurrimiento del agua a

través de ella. Ésta pendiente queda determinada por el desnivel entre el tubo

de llegada y el de salida.

6. Escalines , su función es permitir el descenso hasta la banqueta, de modo

que su forma y ubicación deben dar seguridad a la faena de inspección. Tienen

forma de U y son de acero galvanizado. Se ubican en el lado recto de la cámara

con una separación de 30 cm a partir de la calzada. La máxima altura del

último escalín sobre la banqueta es de 50 cm.

7. Tapa , está constituida por: el anillo que va anclado a la chimenea y la tapa

propiamente tal.


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46

Figura 3-2. Cámara Tipo a.




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47

3.4.2.1.2.- CÁMARAS TIPO b.

La cámara tipo “b” se adopta cuando no se ajusta el uso de una cámara tipo

“a”, de acuerdo a las alturas y diámetros considerados para ella.

Se diferencia con las cámaras de tipo “a” en que no tiene cono ni chimenea;

estos se reemplazan por una losa que lleva una malla en la parte inferior de

3/8" con 10 cm de separación entre fierros. En dicha losa va empotrado el

anillo de la cámara.

Figura 3-3: Cámara Tipo b.




57/116

48

CAPITULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO.

4.1.- GENERALIDADES.

La presente memoria define y especifica el diseño para la modificación y

construcción de un nuevo colector ubicado en pasaje Simpson en la ciudad de

Valdivia, Región de Los Ríos.

El nuevo colector evacuará las aguas lluvias provenientes del sector antes

descrito como la cuenca aportante, la cual descarga al cauce Simpson. Este

colector se conectará hacia la red primaria de colectores ubicados a un costado

de la Avenida Simpson.

El presente cálculo se efectuará utilizando los criterios de diseño indicados en

la Guía de Diseño y Especificaciones de Elementos Urbanos de Infraestructura

de Aguas Lluvias, MINVU (2005), Código de Normas y Especificaciones Técnicas

de Obras de Pavimentación, MINVU (2008) y el Manual de Carreteras, Volúmen

3, (2001).

4.2.- ANTECEDENTES.

Para la elaboración del proyecto se han considerado los siguientes

antecedentes:

•

Levantamiento Topográfico.

•

Mecánica de Suelos.•

Mapas de isoyetas D.G.A

•

Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de Valdivia.

•

Antecedentes obtenidos en visita a terreno.


58/116

49

4.3.- BASE DE CÁLCULO.

4.3.1.- TIPO DE OBRA.

Las aguas lluvia que precipitan sobre la cuenca aportante del proyecto,

escurren hacia los sumideros y son conducidas mediante los colectores

existentes hacia el Cauce Simpson.

Se contempla construir un muro de boca en el cauce a 80 metros del inicio de

la descarga de los colectores, según lo especificado en el Manual de Carreteras,

Volumen Nº 4, Planos de Obras Tipo, 2010, lámina 4.102.001, al cual se

conectará un colector de 700 mm de diámetro cuyo trazado se efectuará en el

pasaje Simpson y descargará finalmente a una cámara de inspección existente

la cual conecta al colector principal unitario existente.

El muro de boca, cámaras de inspección, sumideros y colectores, se ubican

según lo indicado en planos del proyecto.

4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO.

La presente memoria especifica el cálculo y diseño del nuevo colector que se

proyectará en el sector antes mencionado. Para ello se calcularán los caudales

solicitantes al proyecto mediante la utilización del Método Racional, el cual es

apropiado de utilizar en cuencas pequeñas, como son las áreas aportantes

involucradas en el presente estudio.

(3-9)

En que:

Q : Caudal máximo, en m3/s

C : Coeficiente de escorrentía.


59/116

50

A : Área tributaria en Km2

I : Intensidad media de la lluvia igual al tiempo de concentración en

mm/hr.

4.4.1.- ÁREAS APORTANTES.

Para determinar las áreas aportantes se realizó la subdivisión de la cuenca de

acuerdo a pendientes de calles y pasajes y a topografía del terreno. Esta se

estima como la suma de las áreas impermeables que escurren hacia los

sumideros.

El detalle de subdivisión de las áreas se indica en la Figura 4-1. En la Tabla 4-1

se presenta el valor de cada una de estas áreas. La sumatoria total corresponde

a 16,8 hectáreas.


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51

Figura 4-1: Áreas aportantes.

FUENTE: Elaboración Propia.


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52

Tabla 4-1: Áreas Aportantes.



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53

Tipo de Superficie CoeficienteTechos

Zinc, latón 0,9

Calles

Hormigón 0,87

Patios

Baldosa, Hormigones 0,87

Tierra sin cobertura 0,6

Areas Verdes 0,12

4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

El coeficiente de escorrentía expresa la cantidad de precipitación que escurre

superficialmente por la superficie en estudio. Este coeficiente depende de las

características geomorfológicas de la superficie, topografía, vegetación,

capacidad de almacenamiento, condiciones de infiltración, etc.

A continuación se muestran los valores típicos de coeficientes de escorrentía

para los tipos de suelo empleados en este caso.

Tabla 4-2: Coeficientes de Escorrentía Superficial.

FUENTE: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores

Urbanos, MINVU, 2005.

Para determinar un coeficiente de escorrentía representativo del área aportante

en estudio es necesario realizar un promedio ponderado del coeficiente de las

distintas superficies mediante la siguiente expresión:

(4-1)

Utilizando los antecedentes anteriores se obtienen los coeficientes de

escorrentía ponderados para cada una de las áreas aportantes consideradas en

el estudio. Este resultado se muestra en la siguiente tabla.


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54

Areas Techos Calles Patios Areas Verdes Ponderación

Zinc, latón Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura

0,9 0,87 0,87 0,6 0,12

A1 0,004 0,024 0,004 0,008 0,028A2 0,032 0,032 0,021 0,021 0,071

A3 0,075 0,050 0,025 0,017 0,128

A4 0,027 0,018 0,101 0,005 0,101

A5 0,008 0,048 0,008 0,016 0,056

A6 0,023 0,017 0,028 0,025 0,055

A7 0,039 0,046 0,046 0,007 0,103

A8 0,136 0,068 0,045 0,209

A9 0,041 0,068 0,082 0,082 0,155

A10 0,063 0,029 0,009 0,054 0,006 0,122

A11 0,045 0,019 0,038 0,026 0,083

A12 0,039 0,023 0,031 0,062 0,081

A13 0,086 0,022 0,043 0,065 0,130

A14 0,071 0,024 0,048 0,032 0,117

A15 0,066 0,022 0,044 0,029 0,109

A16 0,059 0,020 0,040 0,026 0,097

A17 0,080 0,030 0,080 0,010 0,148

A18 0,041 0,033 0,008 0,035 0,075

A19 0,057 0,031 0,010 0,043 0,090

A20 0,056 0,031 0,010 0,042 0,089

A21 0,050 0,027 0,009 0,037 0,078

A22 0,065 0,033 0,098 0,131 0,162

A23 0,030 0,030 0,045 0,045 0,085

A24 0,045 0,045 0,059 0,074

A25 0,056 0,021 0,028 0,035 0,090

A26 0,032 0,016 0,032 0,080 0,072

A27 0,115 0,057 0,115 0,287 0,257

A28 0,029 0,022 0,007 0,015 0,052

A29 0,029 0,018 0,023 0,047 0,061

A30 0,064 0,013 0,026 0,026 0,087

A31 0,055 0,011 0,022 0,022 0,075

A32 0,051 0,020 0,020 0,010 0,077

A33 0,043 0,024 0,019 0,010 0,072

A34 0,041 0,023 0,018 0,009 0,069

A35 0,035 0,020 0,016 0,008 0,059

A36 0,022 0,040 0,006 0,024 0,029 0,078

A37 0,125 0,050 0,025 0,050 0,177

A38 0,108 0,035 0,205 0,250

A39 0,052 0,017 0,100 0,121

A40 0,026 0,019 0,088 0,042 0,098

Tabla 4-3: Coeficientes de Escorrentía Ponderados para Cada Área Aportante.


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55

Continuación. Tabla 4-3: Coeficientes de Escorrentía Ponderados para CadaÁrea Aportante.


Areas Techos Calles Patios Areas Verdes Ponderación

Zinc, latón Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura

0,9 0,87 0,87 0,6 0,12A41 0,008 0,066 0,008 0,066

A42 0,085 0,034 0,051 0,112

A43 0,019 0,035 0,005 0,021 0,025 0,068

A44 0,049 0,049 0,033 0,010 0,107

A45 0,098 0,044 0,036 0,148

A46 0,026 0,037 0,017 0,007 0,067

A47 0,056 0,028 0,028 0,011 0,093

A48 0,051 0,021 0,009 0,094 0,013 0,130

A49 0,014 0,043 0,086 0,049

A50 0,019 0,051 0,101 0,060

A51 0,032 0,025 0,005 0,017 0,028 0,069

A52 0,116 0,044 0,012 0,037 0,023 0,178

A53 0,028 0,015 0,007 0,068 0,018 0,087

A54 0,023 0,012 0,006 0,029 0,043 0,059

A55 0,024 0,017 0,039 0,007 0,061

A56 0,030 0,028 0,023 0,009 0,066

A57 0,176 0,025 0,025 0,025 0,198

A58 0,113 0,113 0,111

A59 0,129 0,129 0,189

A60 0,314 0,251 0,251 0,251 0,188 0,892

A61 0,290 0,083 0,041 0,338

A62 0,213 0,061 0,030 0,248

A63 0,060 0,046 0,028 0,097

A64 0,042 0,097 0,048

A65 0,036 0,055 0,018 0,073 0,100

A66 0,173 0,102 0,079 0,315 0,118 0,517

A67 0,432 0,108 0,486 0,054 0,781

A69 0,056 0,047 0,225 0,141 0,244

A70 0,180 0,135 0,113 0,023 0,351

A71 0,035 0,092 0,069 0,152

A72 0,026 0,026 0,096 0,160 0,013 0,226

A73 0,160 0,369 0,086 0,475

A74 0,028 0,028 0,140 0,084 0,143A75 0,112 0,067 0,149 0,037 0,253

A76 0,020 0,018 0,019

A77 0,059 0,065 0,155 0,109

∑ 11,053


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56

Luego, el coeficiente de escorrentía se obtiene de la expresión (4-1).

C = = 0,66

Por lo tanto el coeficiente de escorrentía utilizado es 0,66.

4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO.

Dadas las características del proyecto en estudio, es posible su asociación, con

respecto a la Tabla 4-4 a una obra de tipo “Drenaje de la Plataforma” y tipo de

ruta “Carreteras”. De esta manera se desprende que el período de retorno de

diseño y la vida útil supuesta adoptados para este estudio serán igual a 10

años para ambos conceptos.

Tabla 4-4: Períodos de Retorno para Diseño.

S= Sección útil de la alcantarilla.

FUENTE: Tabla 3.702.2.B - Manual de Carreteras Volumen Nº 3: Instrucciones

y Criterios de Diseño, 2002.


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57

4.4.4.- ANTECEDENTES PLUVIOMETRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO.

4.4.4.1.- PRECIPITACIÓN MÁXIMA DIARIA.

De acuerdo a información incluida en MINVU (2005) y en mapas de lluvias

máximas publicados por la Dirección General de Aguas, una de las estaciones

meteorológicas cercanas y con series de datos más completas es Pichoy, en la

cual se indica una precipitación máxima diaria, considerando un período de

retorno de 10 años de:

4.4.5.-DETERMINACION DE CURVAS I-D-F.

4.4.5.1.- DURACIONES ENTRE 1 Y 24 HORAS.

Las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia que caracterizan la zona de

interés, para duraciones de 1 hora a 24 horas y períodos de retorno de 2, 5, 10,

20, 50 y 100 años, se derivan a partir de los antecedentes disponibles de

acuerdo a las siguientes relaciones:

(3-6)

(4-2)

Dónde:

: Lluvia de duración t horas y período de retorno de T años, en mm.

: Lluvia de 24 horas de duración y período de retorno de 10 años,

obtenida de la Tabla 3-7


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58

: Coeficiente de duración que transforma la lluvia de 24 horas de

duración en otra de duración t, entre 1 hora y 24horas.

: Coeficiente de frecuencia para T años de período de retorno.

: Intensidad de la lluvia de duración t horas y período de retorno de T

años, en mm/hr.

En la Tabla 4-5 se muestran los coeficientes de duración adoptados para

duraciones de lluvia entre 1 y 24 horas. Para duraciones de lluvia mayores a 24

horas se utiliza la relación de Grunsky que se presenta a continuación:

Pt (T)= (4-3)

: Lluvia máxima en 24 horas para un periodo de retorno T.

t : Tiempo de duración de la lluvia, mayor de 24 horas.

Tabla 4-5: Coeficiente de Duración, 1-24 horas.

FUENTE: Guía de Diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas

Lluvias en Sectores Urbanos”, 2005.

Duración (hr)

Ciudad 1 2 4 6 8 10 12 14 18 24

Valdivia 0,16 0,23 0,34 0,46 0,54 0,61 0,67 0,73 0,86 1


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59

Tabla 4-6. Coeficiente de Frecuencia.

FUENTE: Guía de diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas

Lluvias en Sectores Urbanos”, 2005.

Las curvas Precipitación – Duración – Frecuencia e Intensidad- Duración-

Frecuencia para duraciones de 1 hasta 24 horas se presentan en las Tablas 4-7

y 4-8 respectivamente. En el Gráfico 4-1 se presentan las curvas I-D-F paraduraciones superiores a 1 hora.

Tabla 4-7: Curvas Precipitación- Duración- Frecuencia (mm), 1-24 horas.


Períodos de retorno ( años)

Ciudad 2 5 10 20 50 100

Valdivia 0,7 0,89 1 1,11 1,24 1,34

Período de retorno Duración (hr)

(años) 1 2 4 6 8 10 12 14 18 24

2 12,7 18,2 26,8 36,6 42,4 48 52,8 57,4 68,4 79,25 16,1 23,2 34,4 46,2 54,4 61 67,2 72,8 86,4 100,8

10 18,1 26 38,4 52,2 60,8 69 75,6 82,6 97,2 112,8

20 20,1 28,8 42,8 57,6 68 77 84 92,4 108 124,8

50 22,4 32,2 47,6 64,8 76 86 93,6 102,2 120,6 139,2

100 24,3 34,8 51,6 69,6 81,6 93 102 110,6 129,6 151,2


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60

Tabla 4-8: Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia (mm), 1-24horas.


Gráfico 4-1. Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia, Duración entre 1-24horas.


Período de retorno Duración (hr)

(años) 1 2 4 6 8 10 12 14 18 24

2 12,7 9,1 6,7 6,1 5,3 4,8 4,4 4,1 3,8 3,3

5 16,1 11,6 8,6 7,7 6,8 6,1 5,6 5,2 4,8 4,2

10 18,1 13 9,6 8,7 7,6 6,9 6,3 5,9 5,4 4,7

20 20,1 14,4 10,7 9,6 8,5 7,7 7 6,6 6 5,2

50 22,4 16,1 11,9 10,8 9,5 8,6 7,8 7,3 6,7 5,8

100 24,3 17,4 12,9 11,6 10,2 9,3 8,5 7,9 7,2 6,3


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61

4.4.5.2.- DURACIONES MENORES A 1 HORA

Para duraciones menores a 1 hora se emplean los coeficientes de Bell. Estos

coeficientes de duración y frecuencia cumplen las siguientes relaciones, válidas

para duraciones entre 5 minutos y dos horas y para periodos de retorno entre

2 y 100 años.

CF T = 0,21 LN(T)+0,52 (4-4)

Donde T es el periodo de retorno en años. Notar que para T=10 se obtiene

CF=1,00.

Además el coeficiente de duración, CD, en relación a la lluvia de una hora de

duración (60 minutos), está dado por:

CD t = 0,54t 0,25 - 0,5 (4-5)

Entonces la precipitación de duración t , entre 5 y 120 minutos, y período de

retorno T , entre 2 y 100 años, se puede estimar en base a la precipitación de

una hora y 10 años de período de retorno, como:

P t T = (0,21 Ln (T)+0,52)( 0,54t 0,25 - 0,5)P 60 10 (3-7)

Dónde:

P t T : Lluvia en mm de duración t minutos y T años de período de retorno.

P 60 10 : Precipitación de una hora y 10 años de período de retorno en mm.

T : Período de retorno en años.

t : Duración de la lluvia en minutos.


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62

El uso de la expresión anterior se recomienda para obtener estimaciones de las

curvas I-D-F para duraciones menores a una hora, cuando no se cuente con

datos pluviograficos en el sitio de interés que permitan desarrollar una familia

de curvas I-D-F en el lugar, siendo este el caso presentado en este estudio.

La ecuación para el Coeficiente de Duración corresponde al mismo en relación a

la precipitación de 1 hora, cuyos valores numéricos se indican en la Tabla 4-9.

Tabla 4-9. Coeficientes de Duración, 5-60 minutos.

FUENTE: Guía de Diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas

Lluvias en Sectores Urbanos, 2005.

Por último, las curvas Precipitación-Duración-Frecuencia e Intensidad

Duración-Frecuencia (calculada según ecuación presentada anteriormente)

para duraciones de 5 minutos hasta 60 minutos se presentan en la Tabla 4-10

y en la Tabla 4-11 respectivamente.

Tabla 4-10: Curvas Precipitación- Duración- Frecuencia (mm), 5-60 minutos.


Duración (min)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0,31 0,46 0,56 0,64 0,7 0,76 0,81 0,86 0,9 0,94 0,97 1

Período de Retorno Duración (min)

(años) 5 10 15 20 23 25 30 35 36 40 45 50 55 60

2 3,70 5,54 6,78 7,73 8,22 8,52 9,20 9,80 9,91 10,34 10,83 11,27 11,69 12,08

5 4,78 7,15 8,74 9,97 10,60 10,99 11,86 12,63 12,78 13,32 13,95 14,53 15,07 15,57

10 5,59 8,36 10,22 11,66 12,40 12,85 13,87 14,78 14,94 15,59 16,32 17,00 17,63 18,2220 6,40 9,57 11,70 13,35 14,20 14,71 15,89 16,92 17,11 17,85 18,69 19,47 20,19 20,86

50 7,47 11,18 13,66 15,59 16,57 17,18 18,55 19,75 19,98 20,83 21,82 22,73 23,57 24,35

100 8,28 12,39 15,15 17,28 18,37 19,04 20,56 21,89 22,14 23,09 24,19 25,19 26,12 26,99


72/116

63

Tabla 4-11: Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia (mm), 5-60 minutos.


4.4.6.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.

Para este caso, en el cual la zona de estudio se encuentra completamente

urbanizada, se usará la fórmula de Morgali y Linsley para cuencas ya

urbanizadas según lo propuesto en el Manual de Técnicas Alternativas para

Solución de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos, MINVU (2005).

La utilización de esta fórmula implica la determinación de la longitud y

pendiente de la superficie por la cual escurre el agua. Para ello se realizó la

topografía de cada una de las calles por la cual se produce el escurrimiento.

El tiempo de concentración de la cuenca en estudio se obtuvo analizando todos

los tiempos de escurrimientos superficiales que aportan a la salida de la

cuenca.

T c (3-5)

Período de Retorno Duración (min)

(años) 5 10 15 20 23 25 30 35 36 40 45 50 55 60

2 44,45 33,27 27,12 23,20 21,45 20,45 18,40 16,80 16,52 15,50 14,43 13,53 12,75 12,08

5 57,30 42,89 34,95 29,91 27,65 26,37 23,72 21,66 21,29 19,99 18,61 17,44 16,44 15,57

10 67,02 50,16 40,88 34,98 32,34 30,84 27,75 25,33 24,91 23,38 21,76 20,40 19,23 18,22

20 76,74 57,44 46,82 40,06 37,03 35,32 31,77 29,00 28,52 26,77 24,92 23,36 22,02 20,86

50 89,60 67,06 54,65 46,76 43,24 41,23 37,09 33,86 33,30 31,25 29,09 27,27 25,71 24,35

100 99,32 74,33 60,58 51,84 47,93 45,70 41,12 37,53 36,91 34,64 32,25 30,23 28,50 26,99


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Siendo:

T c : Tiempo de concentración, en minutos.

L : Longitud del escurrimiento superficial, en metros.

I : Intensidad de la lluvia, en mm/hr. En este caso corresponde al valor

P6010.

S : Pendiente, en metros por metro.

n : Coeficiente de rugosidad de Manning. Tabla 3-2.

En la Tabla 4-12 se presentan los resultados obtenidos de Morgali y Linsley, endonde se adoptó el recorrido del flujo superficial como la intercepción de los

sumideros que aportan a la salida de la cuenca.

Figura 4-2: Disposición de sumideros existentes.



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Tabla 4-12: Tiempo de concentración de la cuenca. (Morgali y Linsley).


Finalmente, se adopta un valor del tiempo de concentración aproximado de 23

minutos.

4.4.7.-INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.

La intensidad de la lluvia de diseño se calculará en base al tiempo de

concentración de la cuenca y la precipitación de la zona.

I= *( ) (4-6)

Dónde:

I : Intensidad de la lluvia de diseño en mm/hr.

: Precipitación en mm, de duración 23 minutos (igual al tiempo de

concentración) y 10 años de periodo de retorno.

Tc : Tiempo de concentración en minutos.

Sub- cuenca L (m) n i (mm/hr) S (m/m) Tc

Sumidero S08-Errazuriz 115 0,015 18,1 0,0054 14,60

Errazuriz- Sumidero S06 250 0,015 18,1 0,006 22,54

Simpsón -Sumidero S06 170 0,015 18,1 0,006 17,89

Simpson -Sumidero S03 115 0,015 18,1 0,015 10,75

Sumidero S10- Sumidero S03 148 0,015 18,1 0,0049 17,49

Sumidero S02-Sumidero S03 110 0,015 18,1 0,002 19,15

Calle Dos- Sumidero S01 140 0,015 18,1 0,0108 13,35

Koening-Sumidero S04 60 0,015 18,1 0,0083 8,69


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Reemplazando los valores obtenidos en tablas anteriores en la expresión

precedente se tiene:

=12,4 mm (obtenido de Tabla 4-10).

Tc =23 minutos (obtenido de Tabla 4-12).

I = 12,4*(60/23)

I = 32,3 mm/hr.

4.4.8.- CAUDAL SOLICITANTE DE AGUAS LLUVIAS.

Luego de haber obtenido los valores del coeficiente de escorrentía, intensidad de

la lluvia de diseño y el área aportante, se puede determinar el caudal máximo

solicitante de aguas lluvias empleando la formula racional.

Q (3-9)

Dónde:

Q : Caudal solicitante de aguas lluvias, en m3/s.

C : Coeficiente de escorrentía = 0,66

I : Intensidad de la lluvia = 32,3 mm/hr.

A : Área aportante = 0,167 km2

Luego el caudal de diseño de aguas lluvias es:

Q= (0,66*32,3*0,167)/3,6

Q= 0,99 m 3 /s


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4.4.9.- CÁLCULO DEL CAUDAL DEL CANAL.

Para obtener el caudal final de diseño, se debe incorporar a los cálculos el

caudal que aporta el canal Simpson. Para la obtención de este caudal, se

realizaron secciones de aforo más la topografía del canal. Este canal posee una

sección rectangular, una longitud aproximada de 220 metros, un ancho entre

0,8 a 1m y una buena mantención, que le permite un escurrimiento libre de

obstrucciones. El cálculo del caudal se realizará utilizando la fórmula racional.

4.4.9.1.- AREA APORTANTE AL CANAL.

El área que aporta agua al canal es la señalada en la figura 4-3, determinada

según las pendientes de escurrimiento del sector. En la tabla 4- 13 se indica el

valor de cada área y el total de est

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