ACTUALIZACION DE LA HIDROLOGIA

MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE ANCHONGA

ESTUDIO HIDROLOGICO E HIDRAULICOPROYECTO:CONSTRUCCION YMEJORAMIENTO CARRETERA PONGOS GRANDE PARCO ALTO ALPACHACA PAMPALCO SANCAYPAMPA - HUARICHA

1. GENERALIDADES

El propsito de este captulo es efectuar el estudio hidrolgico e hidrulico para evaluar el comportamiento de las quebradas existentes y pertenecientes al Proyecto Construccin y Mejoramiento carretera Pongos Grande Parco Alto Alpachaca Pampalco Sancaypampa - Huaricha y conocer los requerimientos de las obras de drenaje de la carretera, con el cruce de las quebradas mencionadas.

Con el fin de reunir los criterios adecuados para conocer las caractersticas hidrolgicas de las quebradas consideradas, se realiz el estudio en las siguientes etapas:

RECOPILACIN DE INFORMACIN: Comprende la recoleccin, evaluacin y anlisis de la documentacin existente como cartografa y pluviomtria en el rea del estudio.

Las caractersticas principales de una cuenca son: forma, rea, permetro, pendiente, relieve, altitud, red de drenaje, orientacin, a lo que es necesario asociar las caractersticas del cauce principal como son su longitud y su pendiente.

El drenaje de una cuenca es la forma como es evacuada. La rapidez de la evacuacin del agua cada sobre una cuenca depende de la pendiente de la cuenca, de la vegetacin, de los tipos de suelos as como de su estado de humedad en el momento en que se presenta la lluvia.

Cuando se trata de evaluar la cantidad de agua cada sobre una cuenca se tiene que ver la influencia de la disposicin de los pluvimetros. En muchos casos slo existe un pluvimetro en la cuenca. Un pluvimetro da informacin precisa de un solo punto, que es aquel en donde esta instalado, y por consiguiente extender la informacin de un solo pluvimetro a toda una cuenca que abarca muchos kilmetros cuadrados con terrenos de altitudes muy diversas, diversos tipos de vegetacin, temperaturas, etc., es una extrapolacin muy osada. Sin embargo en nuestro pas no se cuenta con una red de pluviomtria, y en los casos que existen estos ofrecen diversas formas de control y estn muy dispersos, adems debido a los problemas sociales acaecidos en aos anteriores en algunos casos se han desactivado y en otros tienen informacin incompleta.

En la zona del proyecto no existe una estacin de control pluviomtrico, pero si en las inmediaciones por los que se usarn los datos de: la Estacin de Acostambo, siendo su altitud de ubicacin de 3,650 msnm, la Estacin Pilchaca, siendo su altitud de ubicacin de 3,586 msnm. Se anexa grficos.

Trabajos de Campo: Consiste en un recorrido sobre la zona donde se desarrollara el tramo Pongos Grande Parco Alto Alpachaca Pampalco Sancaypampa - para su evaluacin y observacin de las caractersticas, relieve y aspectos hidrolgicos de las quebradas as como la identificacin de las alcantarillas necesarias para el drenaje del camino como tambin la necesidad de otras obras de arte como badenes, pontones y puentes.

Fase de Gabinete: Consiste en el procesamiento, anlisis, determinacin de los parmetros de diseo para el dimensionamiento de las obras de arte.

La informacin que se esta utilizando se refiere a los siguientes aspectos:

a. PluviomtriaLa escorrenta existente y producida en el rea de estudio, proviene exclusivamente de las precipitaciones pluviales cadas en la zona. Para efectos de identificacin del rea de estudio fue necesario utilizar las siguientes cartas nacionales a escala 1:100,000:

26-n:HuancavelicaLa informacin hidrolgica disponible ha consistido en registros pluviomtricos pertenecientes a las siguientes estaciones operadas por Electro Per y Senamhi respectivamente:Estacin

PluviomtricaUbicacinProvinciaAltitud m.s.n.m.

Latitud SurLongitud Oeste

Acostambo1221'42"7503'09"Tayacaja3650

Pilchaca1224'7505'Huancavelica3586

Se eligieron estas 2 estaciones por la similitud en cuanto se refiere a relieve y a cotas con respecto a la zona que ha de intervenir el proyecto (Provincias de Acobamba y Angaraes).b. Hidrometra

Las quebradas que cortan el trazo de la carretera, no cuentan con estaciones de medicin de caudales, todas las aguas confluyen hacia el Ro Mantaro. 2. PRECIPITACION

El estudio de precipitaciones tuvo como objetivo a determinar:

Los valores de precipitaciones mximas en 24 horas.

La intensidad de la lluvia para duraciones cortas, es decir la relacin Intensidad - Duracin - Frecuencia (IDF) para fines de utilizarla en la aplicacin del mtodo racional para la determinacin de descargas en cuencas pequeas y la utilizacin del hidrograma unitario para la evaluacin de descargas en cuencas medianas de ser necesario.

En el estudio existente, el valor de la intensidad se ha calculado para cada una de las estaciones indicadas en lneas anteriores lo que ha permitido establecer el uso de la estacin Pilchaca como las que brinda valores conservadores para el diseo.La estacin Pilchaca cuenta con 33 aos de registro comprendido en los periodos 1965 1998 y que arroja una precipitacin mxima de 45.60 mm, 29.98 mm como precipitacin mxima promedio, se encuentra ubicada a una altitud de 3586 msnm. Se ha tenido acceso a datos de la Estacin Huancavelica, la cual se encuentra a una altitud de 3680 msnm, los registros de la precipitacin mensual se muestran en el cuadro N 1 del Anexo, y un resumen de sus valores caractersticos se presentan a continuacin, en donde se puede observar que el valor medio anual acumulado es de 913.9 mm.Cuadro N 01: VARIACIN DE LA PRECIPITACIN ACUMULADA DE MANERA MENSUAL HUANCAVELICAEne.Feb.Mar.Abr.May.Jun.Jul.Ago.Sep.Oct.Nov.Dic.Tot.

Mx.230.2285.4227.1105.551.229.120.869.3132120.5122.3198.41221.6

Prom.172.7150.8141.364.823.99.76.526.263.270.276.5108.0913.9

Mn.75.978.286.620.48.100017.926.841.244.5693.9

D.Est.51.660.746.625.413.59.66.72335.329.729.743.7162.6

En base a esto se puede apreciar en el grfico inferior que la precipitacin mxima mensual se presenta en los meses de Diciembre a Marzo as como la precipitacin mnima mensual ocurre en los meses de Mayo, Junio, Julio y Agosto.FIGURA N 01

Luego de analizadas las datos pluviomtricos se ha determinado las intensidades mximas para diversos periodos de retorno mediante el mtodo probabilstico de Gumbel.

INTENSIDAD MAXIMA PILCHACADuracin (t) (minutos)Perodo de Retorno (T) en aos

25102550100200

588.42999.944109.640123.917135.939149.127163.595

1052.58059.42765.19273.68180.83088.67297.274

1538.79343.84448.09854.36159.63565.42171.768

2031.26435.33538.76443.81148.06252.72457.840

3023.06726.07028.59932.32335.45938.89942.673

4018.59021.01123.04926.05028.57831.35034.392

5015.72517.77319.49722.03624.17426.51929.092

6013.71515.50117.00519.22021.08423.13025.374

7012.21813.80915.14917.12118.78220.60422.603

8011.05412.49313.70515.49016.99218.64120.449

9010.11911.43712.54614.18015.55617.06518.720

1009.35010.56811.59313.10314.37415.76817.298

1108.7059.83910.79312.19913.38214.68016.105

1208.1559.21710.11111.42812.53713.75315.087

3. EVALUACION DE CUENCAS

De acuerdo a la informacin analizada se observa que el rgimen de precipitacin de la zona vara del tipo periodo hmedo durante los meses de Septiembre a Abril y un periodo seco entre los meses de Mayo a Agosto tal como se puede apreciar en el cuadro N 1.

En el periodo seco generalmente siempre existe una precipitacin mnima, es decir las lluvias se presentan durante todos los meses del ao.

En los meses hmedos, es que se presentan los fenmenos de escurrimiento extraordinario o de descargas mximas, luego de ocurrido y coincidente con la ocurrencia de una tormenta en la zona.

El rgimen de escurrimiento para la zona de estudio, sigue el patrn de comportamiento de las lluvias.

En base a la informacin Promedio Mensual (Cuadro N 1) de las estaciones en estudio, se deduce, que en el comportamiento hidrolgico de las microcuencas no hay variacin alguna en el ciclo hidrolgico.

En los cursos de agua que atraviesan el alineamiento de la Carretera Pongos Grande Parco Alto Alpachaca Pampalco Sancaypampa Huaricha.4. CALCULO DE CAUDALES

Precipitaciones Mximas en 24 HorasSe cuenta con datos de precipitaciones mximas en 24 horas en las estaciones: Acostambo con 36 registros (1963 1998) y Pilchaca con 33 registros (1965 1998); los cuales sern ajustados a la distribucin terica Gumbel, asignndole luego una probabilidad de ocurrencia correspondiente a diferentes periodos de retorno.

Intensidades de LluviaLas estaciones de lluvia ubicadas en la zona, no cuentan con registros pluviograficos que permitan obtener las intensidades mximas. Sin embargo estas pueden ser calculadas a partir de las lluvias mximas en base al modelo de Dick y Pescke. Este modelo permite calcular la lluvia mxima en funcin de la precipitacin mxima en 24 horas. La expresin es la siguiente:

Donde:

Pd:Intensidad de precipitacin mxima horaria (mm/h)

d:Duracin en minutos

P24h:Precipitacin mxima en 24 horas (mm)

La intensidad se halla dividiendo la precipitacin Pd entre la duracin. Los clculos figuran en el Anexo Clculo de la curva Intensidad Duracin - Frecuencia.

Las curvas de Intensidad Duracin Frecuencia, se han calculado indirectamente, mediante la siguiente relacin:

Donde:

I:Intensidad mxima (mm/min)

K, m, n: Factores caractersticos de la zona de estudio

T:Periodo de retorno en aos

t:Duracin de la precipitacin equivalente al tiempo de concentracin (min) Caudales MximosComo no se cuenta con datos de caudales, las descargas mximas sern estimadas en base a las precipitaciones y a las caractersticas de la cuenca, tomando el Mtodo Racional.Mtodo Racional

Este mtodo que empez a utilizarse alrededor de la mitad del siglo XIX, es probablemente el mtodo ms ampliamente utilizado hoy en da para la estimacin de caudales mximos en cuencas de poca extensin, hasta 5 Km2 (Linsley, 1986). A pesar de que han surgido crticas vlidas acerca de lo adecuado de este mtodo, se sigue usando debido a su simplicidad. La descarga mxima instantnea es determinada sobre la base de la intensidad mxima de precipitacin y segn la relacin:

Q:Caudal mximo de escorrenta, m3/sg.

A:rea de la cuenca, en Ha.

I:Intensidad mxima de lluvia, mm/h

C:Coeficiente de escorrenta que depende de la intensidad I de la lluvia y de su duracin; es decir sujeto a los siguientes factores: inclinacin de los terrenos, permeabilidad de los suelos, cobertura vegetal de los suelos, grado de humedad de los suelos, altitud y temperatura.

El mtodo asume para su aplicacin:

La magnitud de una descarga originada por cualquier intensidad de precipitacin alcanza su mximo cuando esta tiene un tiempo de duracin igual o mayor que el tiempo de concentracin.

La frecuencia de ocurrencia de la descarga mxima es igual a la de la precipitacin para el tiempo de concentracin dado.

La relacin entre la descarga mxima y tamao de la cuenca es la misma que entre la duracin e intensidad de la precipitacin.

El coeficiente de escorrenta es el mismo para todas las tormentas que se produzcan en una cuenca dada

Para efectos de la aplicabilidad de esta frmula el coeficiente de escorrenta C y las intensidades varan de acuerdo a las caractersticas geomorfolgicas de la zona: topografa, naturaleza del suelo y vegetacin de la cuenca.

Los coeficientes de escorrenta para su uso en el Mtodo Racional, se muestran en el siguiente cuadro:

COEFICIENTES DE ESCORRENTA PARA SER USADOS EN EL MTODO RACIONAL

5. DIMENSIONAMIENTO DE LAS OBRAS DE DRENAJEDesde el punto de vista hidrulico se proponen diseos que proporcionen obras de drenaje lo ms eficiente posible y que guarden una proporcin de rentabilidad y conservacin con el medio ambiente. Estas obras estn destinadas a constituirse, en conjunto, como los sistemas que drenarn los flujos de agua libres de la zona. Se debe tener en cuenta que las estructuras de drenaje estn ntimamente relacionadas a los niveles de paso de los flujos de agua a evacuar y los niveles alcanzados por la estructura del pavimento (rasante terminada), lo que es cuidadosamente observado en la realizacin de los diseos planteados.

Todo lo anteriormente expuesto tiene por nica finalidad asegurar el correcto funcionamiento de la carretera, especialmente en aquellos lugares en los que interrumpe el paso de un curso natural, buscando que ste sea afectado mnimamente en su recorrido natural y que por consecuencia la carretera se adecue convenientemente a su paso.

Tipos de FlujoEl presente Estudio de Drenaje plantea la solucin del drenaje de la carretera: Pongos Grande Parco Alto Alpachaca - bajo dos aspectos principales como son el tipo de flujo de agua presente en la carretera, ya sea ste superficial o subsuperficial, y el sentido de recorrido de dichos flujos de agua sobre la misma, ya sea longitudinal o transversal al eje de la carretera.

A continuacin, con el objetivo de precisar los conceptos fundamentales relacionados a la actividad del Drenaje para los flujos de agua presentes se expone los conceptos referidos a:

Flujos de Agua Superficial

Los flujos de agua superficial son los que corren o se estancan en la superficie del terreno.

Los flujos de agua superficial presentes en la carretera provienen directamente de cauces naturales como quebradas, canales de riego, acequias, etc.; y a la vez provienen de la precipitacin pluvial, que luego de alcanzar el tiempo de concentracin propio para la zona se inicia el escurrimiento directo sobre la carretera.

Las fuentes de flujo de agua superficial mencionadas demandan el planteamiento de una evacuacin ordenada segn los sentidos de recorrido, ya sea longitudinal o transversal.

Flujos de Agua Subsuperficial

Los flujos de agua subsuperficial son los que se encuentran por debajo de la superficie expuesta del terreno, no debiendo ser confundidos con las aguas subterrneas que se hallan en la litosfera.

Los flujos de agua subsuperficial presentes en la carretera se deben a flujos naturales provenientes de las infiltraciones de lagunas o puquiales ubicados en las partes altas y alejadas de la zona de la carretera, situacin que es favorecida por el tipo de suelo presente.SISTEMAS DE DRENAJE

Entindase como sistema de drenaje al conjunto de estructuras de drenaje que adecuadamente diseadas y correctamente instaladas permiten la evacuacin ordenada de los diferentes flujos de agua presentes en la carretera.

Para el presente estudio, los sistemas de drenaje propuestos, se plantean bsicamente siguiendo la orientacin longitudinal y transversal al eje de la carretera, como principio base del orden de evacuacin.

Sistema de Drenaje Longitudinal

El sistema de drenaje longitudinal planteado se destina a la recoleccin del agua pluvial que incide directamente sobre la superficie de rodadura y sobre las laderas aledaas a la carretera. Dicho flujo superficial es ordenadamente evacuado con estructuras de drenaje que siguen el sentido longitudinal de la carretera. Tales estructuras de drenaje para el Sistema de Drenaje Longitudinal son las denominadas cunetas y muy importante el sistema de bombeo.

Sistema de Drenaje TransversalEl Sistema de Drenaje Transversal planteado se destina a permitir el paso del flujo inalterado de agua superficial presente en la zona de la carretera y que discurre transversalmente a sta. El agua superficial, principalmente proviene de fuentes tales como quebradas, acequias, canales de riego, la recoleccin del drenaje longitudinal, etc. que discurren en el sentido transversal a la carretera y que requieren ser evacuadas por medio de adecuadas estructuras, instaladas en el sentido transversal para propiciar la evacuacin ordenada hacia el dren de evacuacin de la zona. Dicho flujo superficial es ordenadamente evacuado con estructuras de drenaje que siguen el sentido transversal al eje de la carretera. Las estructuras de drenaje establecidas por el presente Estudio, para el Sistema de Drenaje Transversal, son las denominadas tajeas, alcantarillas, badenes, pontones y puentes.

El planeamiento de un sistema de drenaje superficial eficiente comprende dos fases: el anlisis hidrolgico y el diseo hidrulico. Por lo tanto un buen diseo de drenaje, requiere una razonable exactitud en la prediccin de las escorrentas mximas para determinados intervalos de ocurrencia.

La mayora de las veces, como en el caso del presente estudio, el factor limitante es la carencia de informacin bsica ya que no existe informacin de frecuencia, intensidad, duracin de lluvias, etc. para la zona en estudio, datos que son de suma importancia para la prediccin de las escorrentas mximas.

Los mtodos usuales para dimensionar las alcantarillas son:

Inspeccin de estructuras viejas existentes, aguas arriba o aguas abajo.

La aplicacin de frmulas empricas para determinar directamente el tamao de la abertura requerida.

La aplicacin de mtodos para determinar la cantidad de agua que llega a la estructura y luego la aplicacin de una expresin matemtica para el diseo del tamao adecuado para descargar dicho caudal.

Para el presente estudio para determinar el tamao y ubicacin de las obras de arte, se han identificado las estructuras necesarias mediante la visita de campo y realizado la priorizacin de dichos elementos. Para este fin se ha realizado la observacin directa en el campo de los mximos niveles de agua, el dimensionamiento de las estructuras existentes y luego la aplicacin de la frmula de Manning, tomando en cuenta lo siguiente:

Donde:

Qm:

Descarga mxima proyectada en m3/sg

Qd:

Descarga de diseo de la Obra en m3/seg

Las estructuras propuestas para el drenaje superficial son las siguientes: Bombeo

El drenaje de un pavimento depende tanto de la pendiente transversal o bombeo, como de su pendiente longitudinal. En rasantes a nivel o casi a nivel, tales como los que se encuentran en trazos en las planicies de la costa, as como en las curvas verticales cncavas, el agua que cae sobre el pavimento se esparce en ngulo recto con respecto al eje central del camino, hacia los taludes y cunetas. Cuando exista una gradiente longitudinal, el agua fluir diagonalmente hacia el lado exterior del pavimento, siguiendo la gradiente negativa. Si la pendiente fuera pronunciada y no tuviera bombeo, el agua permanecer sobre el pavimento una distancia considerable antes de salir hacia las bermas.

DETALLE DE SISTEMA DE BOMBEO

Las normas peruanas especifican un solo tipo de bombeo que es de 2%. Normalmente se emplean curvas de enlace entre las lneas transversales que hacen el bombeo.

Cunetas

El control de las aguas superficiales que discurren por la superficie de rodadura, se realizar por estructuras denominadas cunetas, las cuales captaran las aguas de escorrenta superficial y las conducirn hasta las estructuras de evacuacin y de ah hacia los drenes naturales.

Las cunetas tendrn en general seccin triangular y se proyectarn para todos los tramos al pie de los taludes de corte. Sus dimensiones sern fijadas de acuerdo a las condiciones pluviomtricas siendo las dimensiones mnimas aquellas indicadas en el cuadro siguiente:

DIMENSIONES MNIMAS DE LAS CUNETASReginProfundidad (m)Ancho (m)

Seca0.200.50

Lluviosa0.300.50

Muy Lluviosa0.501.00

El ancho es medido desde el borde de la subrasante hasta la vertical que pasa por el vrtice inferior. La profundidad es medida verticalmente desde el nivel de borde de la subrasante al fondo o vrtice de la cuneta.

Como la zona es lluviosa, se adopta para la cuneta una seccin triangular de 0.30 m de profundidad y 0.50 m de ancho.

Revestimiento de las cunetas: Cuando el suelo es deleznable (arenas, limos, arenas limosas, arena limo arcillosas, suelos francos, arcillas, etc.) y la pendiente de la cuneta es igual o mayor de 4%, esta deber revestirse con piedra y mortero de cemento.DETALLE DE CUNETAS LONGITUDINAL

BadnSon estructuras destinadas a dejar pasar el agua sobre la carretera y al mismo nivel de la rasante, en la que se hace una pequea inflexin. Se usan para cruzar quebradas de curso eventual y por la que no pasen grandes volmenes de agua en crecientes; para pasar los vehculos tienen que bajar la velocidad ya que tienen que pasar sobre el agua. Si las quebradas crecen demasiado llegan a interrumpir el trnsito.

Los badenes deben usarse para vas de segundo o tercer orden, cuando se concluye que no vale la pena construir un puente y/o ponton.

DETALLE DE BADEN

Las condiciones que debe cumplir un buen badn son:

Debe evitar la erosin y socavacin aguas arriba y aguas abajo, para ello se construyen dentellones o uas del mismo material con que se construye la superficie de rodadura. Cualquiera que sea el material que forme la superficie de rodadura, esta deber apoyarse en una capa de material granular de 30cm. de espesor compactado con pisn de mano.

La relacin de altura con la longitud del badn ser: h < L/14.

La pendiente mnima del badn ser del 5%.

Los Badenes a construirse, las uas y bases son de concreto fc= 175 kg/cm2 + 30% PM en Alas y Losa es con concreto fc= 175 kg/cm2 +30% PM, en ingreso y salida llevar mampostera de piedra asentada con 30% de concreto fc= 1175 kc/cm2 Alcantarillas

Se proyectan para dar paso a los cursos de agua de las quebradas que cruzan el camino, as como para eliminar el agua producto de las precipitaciones que son recolectadas por las cunetas.

La distancia entre alcantarilla y su capacidad hidrulica ser establecida de manera de evitar que las cunetas sobrepasen su tirante previsto de agua teniendo en cuenta las precipitaciones previstas de la zona y a las dimensiones de la cuneta. En zonas lluviosas donde las cunetas sean revestidas se colocar como mnimo una alcantarilla de alivio cada 150 metros. Si las cunetas no son revestidas la mxima distancia recomendable entre alcantarillas deber adecuarse a lo sealado en el cuadro:MXIMA DISTANCIA RECOMENDABLE ENTRE DOS ALCANTARILLAS (M)Pendiente del Camino %Suelos No Erosionables o Poco ErosionablesSuelos Erosionables

0 312075

4 69050

7 97545

10 126035

Suelo Poco Erosionable = Suelo pedregoso, grava y algunas arcillas.

Suelos Erosionables = Suelos finos, limos y arcillas.

La dimensin mnima interna de las alcantarillas deber ser la que permite su limpieza y conservacin. Para el caso de las alcantarillas de paso se considera como dimensin mnima 0.80 m y para las alcantarillas de alivio se considera aceptable dimetros no menores a 0.40 m. OBS.: Los clculos de caudal mximo para el dimensionamiento de los dimetros de las alcantarillas propuestas en el presente estudio (Para las situaciones mas criticas de calculo de alcantarillas de 24 y de 36 de dimetro), as mismo los clculos hidrulicos para el clculo de la socavacin y de caudal mximo para los pontones y puentes se anexan en las hojas de calculo de las Obras de Arte. EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

PROY.: CONSTRUCCION Y MEJORAMIENTO CARRETERA PONGOS GRANDE PARCO ALTO ALPACHACA PAMPALCO SANCAYPAMPA - HUARICHA

_1157610419.xlsHoja1

Caracterstica de la SuperficiePeriodo de Retorno

25102550100500

Areas de Cultivos

Plano, 0 - 2%0.310.410.360.400.430.470.57

Promedio, 2 - 7%0.350.380.410.440.480.510.60

Pendiente Superior a 7%0.390.420.440.480.510.540.61

Pastizales

Plano, 0 - 2%0.250.280.300.340.370.410.53

Promedio, 2 - 7%0.330.360.380.420.450.490.58

Pendiente Superior a 7%0.370.400.420.460.490.530.60

Bosques

Plano, 0 - 2%0.220.250.280.310.350.390.48

Promedio, 2 - 7%0.310.340.360.400.430.470.56

Pendiente Superior a 7%0.350.390.410.450.480.520.58

Fuente: Hidrologa Aplicada, Ven Te Chow, David R. Maidment, Larry W. Mays. 1994

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