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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA TECNOLOGIA Y AMBIENTE
Evaluación hidráulica de caja vehicular del cauce “El Borbollón” en Km 12 ½
Carretera norte en el distrito VI de Managua.
Trabajo investigativo para obtener el Título de Ingeniero Civil
Autor:
Br. Ruth Noemy Gómez Espinoza Br. William Martin Ferrey Sevilla
Tutor:
Dr. Néstor Lanza Mejía
Managua, Nicaragua Marzo 2014
i
DEDICATORIA Le agradezco primeramente a Dios quien me regalo el don de vivir , por
acompañarme y guiarme a lo largo de mi carrera ,por ser mi fortaleza en momentos
de debilidad ,enseñándome a encarar las adversidades sin perder la cordura ni
desfallecer en el intento, también por brindarme una vida llena de aprendizajes,
experiencias y alegrías.
A mis padres: José Ramón Gómez y Ninoska Espinoza por ser los seres
maravillosos que DIOS escogió para traerme al mundo y brindarme su
comprensión, apoyo y amor. Por los consejos sabios en el momento exacto ,como
el de seguir luchando por los sueños sin perder los valores y la fe el DIOS que todo
lo puede, por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el
transcurso de mi vida, siendo ellos el ejemplo de lucha para obtener logros a base
de perseverancia.
A mi novio Henry Rodríguez Gonzales, le dedico este trabajo porque soy feliz
sabiendo que formas parte importante de mi vida, por apoyarme en cada
circunstancias, por tu amor, tu paciencia, gracias por tus regaños bien merecidos
cuando me quiero dar por vencida, por regalarme palabras de alegría en momento
de cansancio, y sobre todo por enseñarme que al ver la vida con optimismo
podemos obtener grandes logros siempre poniendo nuestros sueños primeramente
a DIOS.
Gracias inmensamente a mi abuelita Juana María Lira, a mi abuelito Rodolfo Espinoza y mi tía Johanna Espinoza por estar siempre al pendiente de mi
bienestar y llevarme en sus oraciones consistentemente; a mis hermanos Jeysson
Gómez y Jennifer Elieth por alegrarme con sus locuras en momentos de tristeza.
Y finalmente a mi tío Jorge Espinoza por brindarme una mano amiga siempre que
lo necesito, por sus consejos y apoyo durante todos estos años.
Br. Ruth Noemy Gómez Espinoza
ii
DEDICATORIA Existen demasiadas personas especiales las cuales me gustaría dedicar este
trabajo por el ánimo, apoyo y compañía brindada en las diferentes etapas de mi
vida. Algunas están acá conmigo y otras están en mi recuerdo y si llegan a leer esto
quiero darles las gracias por brindarme aunque sea un segundo de su vida, en
especial:
A mis padres únicos en el mundo William Martin Ferrey Pernudi y María Lourdes Sevilla, porque creyeron en mí y porque me sacaron adelante, dándome ejemplos
dignos de superación y entrega, porque gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada
mí meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en todos los momentos de mi
carrera.
A mis tres hermanas Coralia Elena Ferrey Rocha, Martha Lidia Ferrey Rocha y María Eduarda Ferrey Sevilla porque siempre se preocupan por mí y me dan cada
dia ánimo para seguir luchando unas estando lejos y otra estando cerca.
A mi primer Sobrino que aunque venga en camino sé que algún dia vas a aprender
a leer y sabrás que se le quiere mucho.
A mis amigos porque todo el apoyo que siempre dieron y las fregadera que siempre
armaban para des estresarte un poco en los momentos difíciles.
A todos los profesores no solo de la carrera sino de toda la vida, les agradezco
eternamente por formar parte de lo que ahora soy, aunque no sea mucho pero me
siento alguien útil para la sociedad y no solo soy un vacío.
Br. William Martin Ferrey Sevilla
iii
RESUMEN EJECUTIVO El presente trabajo consiste en la evaluación hidráulica de la caja vehicular ubicada
en la Carretera Norte, efectuando estudios hidrológicos de la cuenca del cauce el
Borbollón, para determinar caudales tanto para periodos de retorno, según criterios
de diseño así como eventos extremos como el Huracán Mitch y Cesar. Cabe
mencionar que una vez determinadas esto, se evaluara la caja para determinar el
funcionamiento en sus condiciones actuales de tal forma que se proceda a una
valorización hidráulica a partir de una modelación del comportamiento actual de la
caja vehicular.
.
INDICE DE CONTENIDOS
CAPITULO I....................................................................................................... 151.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 18
1.2 ANTECEDENTES ................................................................................. 20
1.3 JUSTIFICACIÓN..................................................................................... 22
1.4 OBJETIVOS............................................................................................ 23
1.4.1 Objetivos Generales ............................................................................ 23
1.4.2 Objetivos específicos........................................................................... 23
CAPITULO II...................................................................................................... 242.1 Estudio Hidrológico de la cuenca............................................................ 25
2.1.1.1 Área de la cuenca. (A) ..................................................................... 26
2.1.1.2 Parámetros según su forma............................................................. 26
2.1.1.3 Parámetros según su drenaje .......................................................... 28
2.1.1.4 Parámetros según su relieve. .......................................................... 30
2.1.2.1 Uso de suelo.................................................................................... 32
2.1.2.2 Tipo de suelo ................................................................................... 34
2.1.2.3 Granulometría del suelo................................................................... 35
2.1.8.1 Levantamiento topográfico............................................................... 48
2.2 Estudio Hidráulico ................................................................................... 49
2.2.1.1 Principio de la continuidad ............................................................... 50
2.2.1.2 Ecuación de Manning ...................................................................... 50
2.2.2.1 Componentes de datos geométricos ............................................... 54
2.2.2.2 Sistema esquemático del cauce ...................................................... 55
2.2.2.3 Secciones transversales del cauce.................................................. 56
2.2.2.4 Secciones transversales con flujo inefectivo.................................... 56
2.2.2.5 Coeficientes de contracción y expansión......................................... 57
2.2.2.6 Componentes de datos hidráulicos para flujos permanentes .......... 59
CAPITULO III ..................................................................................................... 60
3.1 Macro localización. .................................................................................. 61
3.2 Micro Localización. .................................................................................. 62
3.3 Caracterización de área de estudio......................................................... 62
CAPITULO IV .................................................................................................... 66
4.1 Parámetros Morfométricos de la cuenca ................................................. 67
4.2 Estudio Hidrológico ................................................................................. 73
4.2 Modelación Hidráulica ............................................................................. 79
4.3.1 Modelación de la caja puente del cauce el Borbollón Mediante el Hec –
Ras 79
Ingreso de datos geométricos ........................................................................ 80
Datos para condiciones de flujo ..................................................................... 81
Evaluación de condiciones hidráulicas de caja vehicular ............................... 83
CAPITULO V ..................................................................................................... 88
5.1 CONCLUSIONES ................................................................................... 89
5.2 RECOMENDACIONES ........................................................................... 91
CAPITULO VI .................................................................................................... 92
5.1 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................... 93
CAPITULO VII ................................................................................................... 94
5.2 ANEXOS ................................................................................................. 95
INDICE DE FIGURAS FIGURA # 1: ORDENACIÓN DE UNA RED DE CANALES ................................................... 29 FIGURA # 2: CURVA HIPSOMÉTRICA .......................................................................... 31 FIGURA # 3: HIETOGRAMA DE DISEÑO UTILIZANDO MÉTODO DE BLOQUES ALTERNOS ..... 42 FIGURA # 4: MÉTODO DE MUSKINGUM ....................................................................... 46 FIGURA # 5: REPRESENTACIÓN DE LA ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD .......................... 50 FIGURA # 6: SISTEMA ESQUEMÁTICO DEL CAUCE CON UBICACIÓN DE LA OBRA DE CRUCE 55 FIGURA # 7: ESQUEMA DE ÁREAS INEFECTIVAS DEL FLUJO........................................... 57 FIGURA # 8: MACRO-LOCALIZACIÓN DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ............ 61 FIGURA # 9: RECORRIDO POR MUNICIPIOS DE MANAGUA Y OBRA DE CRUCE EN
CARRETERA NORTE DEL CAUCE EL BORBOLLÓN .................................................. 62 FIGURA # 10: PARTE ALTA DE LA SUBCUENCA III. (MUNICIPIO DE TICUANTEPE). ........... 62 FIGURA # 11: CUENCA MEDIA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ........................................... 63 FIGURA # 12: CAJA VEHICULAR CARRETERA NORTE .................................................. 65 FIGURA # 13: PERFIL DEL CAUCE DEL RIO “EL BORBOLLÓN” ........................................ 71 FIGURA # 14: CURVA HIPSOMÉTRICA DEL CAUCE " EL BORBOLLÓN" ............................. 72 FIGURA # 15: ESQUEMA DE CUENCA DEL CAUCE “EL BORBOLLÓN” EN HEC-HMS 3.4. .... 75 FIGURA # 14: DETALLE DE SECCIÓN TRANSVERSAL DE ESTACIÓN 0+500 .................. 80 FIGURA # 15: CONDICIONES DE CONTORNO ............................................................ 81 FIGURA # 16: DATOS DE CAUDALES DE DISEÑO PARA EVALUACIÓN DE CAJA VEHICULAR
....................................................................................................................... 82 FIGURA # 17: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO
TR= 25 AÑOS ................................................................................................... 83 FIGURA # 18: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO
TR= 25 AÑOS ................................................................................................... 83
FIGURA # 19: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO
TR= 50 AÑOS ................................................................................................... 84 FIGURA # 20: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO
TR= 50 AÑOS ................................................................................................... 84 FIGURA # 21: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO
TR=100 AÑOS .................................................................................................. 85 FIGURA # 22: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO
TR= 100 AÑOS ................................................................................................. 85 FIGURA # 23: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO
PARA HURACÁN CESAR. .................................................................................... 86 FIGURA # 24: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO
PARA HURACÁN CESAR. .................................................................................... 86 FIGURA # 25: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO
PARA HURACÁN MITCH. ..................................................................................... 87 FIGURA # 26: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO
PARA HURACÁN MITCH. ..................................................................................... 87
INDICE DE TABLAS
TABLA 1: PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS PARA ANÁLISIS DE CUENCAS ....................... 25 TABLA 2:CLASES DE TAMAÑO DE CUENCAS (KM2) ...................................................... 26 TABLA 3:CLASIFICACIÓN DE VALORES DE ALARGAMIENTO .......................................... 27 TABLA 4: CLASIFICACIÓN DE VALORES DE COMPACIDAD ............................................. 27 TABLA 5:CLASIFICACIÓN DE VALORES DE FORMA ....................................................... 28 TABLA 6: CLASIFICACIÓN SEGÚN DENSIDAD DE DRENAJE ............................................ 29 TABLA 7:VALORES DE PENDIENTE DEL CAUCE PRINCIPAL (M/M) ................................... 30 TABLA 8:CLASES DE VALORES DE LONGITUDES DEL CAUCE PRINCIPAL ......................... 32 TABLA 9:TIPOS DE SUELOS EXISTENTES CON BASE AL USO DE LA TIERRA PARA EL
CÁLCULO DEL NÚMERO DE LA CURVA SCS .......................................................... 38 TABLA 10:NÚMEROS DE CURVA DE ESCORRENTÍA PARA USO SELECTOS DE TIERRA
AGRÍCOLA, SUBURBANA Y URBANA (CONDICIONES ANTECEDENTES DE HUMEDAD II, IA=0,2S) .......................................................................................................... 39
TABLA 11:VALORES PARA EL CÁLCULO DE ALFA Y BETA .............................................. 40 TABLA 12: VALORES DE N CON EL MÉTODO DE COWAN ............................................... 53 TABLA 13:VALORES DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD N (CHOW,1959) ........................ 53 TABLA 14:VALORES DE COEFICIENTES DE CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN ....................... 58 TABLA 15: ÁREA DE LAS SUBCUENCAS DEL CAUCE EL BORBOLLÓN. ............................. 67 TABLA 16:CLASES DE VALORES SEGÚN SU ALARGAMIENTO ......................................... 68 TABLA 17:CLASES DE VALORES SEGÚN SU COMPACIDAD ............................................ 68 TABLA 18:CLASES DE VALORES SEGÚN SU FORMA ..................................................... 68 TABLA 19:CLASES DE VALORES SEGÚN SU CAPACIDAD DE DRENAJE ............................ 69
TABLA 20: CLASES DE VALORES SEGÚN LONGITUD DE CAUCE PRINCIPAL. ..................... 70 TABLA 21:CLASES DE VALORES SEGÚN PENDIENTE DE CAUCE PRINCIPAL .................... 71 TABLA 22:CLASES DE VALORES SEGÚN PENDIENTE DE CAUCE PRINCIPAL .................... 72 TABLA 23:RESUMEN DE LOS PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS CALCULADOS A TRAVÉS DE
HERRAMIENTA IDRISI SELVA ............................................................................... 73 TABLA 24:PARÁMETROS DE TRÁNSITO PARA CAUCE “EL BORBOLLÓN” ......................... 76
INDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1: DISTRIBUCIÓN DE ÁREA DE FRECUENCIA .................................................. 70 GRÁFICO 2: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 25 AÑOS. ........................... 74 GRÁFICO 3: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 50 AÑOS. ........................... 74 GRÁFICO 4: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 100 AÑOS .......................... 75 GRÁFICO 5: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA
VEHICULAR CON TR= 25 AÑOS ........................................................................... 77 GRÁFICO 6: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA
VEHICULAR CON TR= 50 AÑOS ........................................................................... 77 GRÁFICO 7:HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA
VEHICULAR CON TR= 100 AÑOS ......................................................................... 78 GRÁFICO 8: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA
VEHICULAR A PARTIR DEL HURACÁN CESAR ........................................................ 78 GRÁFICO 9: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA
VEHICULAR A PARTIR DEL HURACÁN MITCH ......................................................... 79
ANEXOS: INDICE DE TABLAS
ANEXO DE TABLA 1:PERIODOS DE RETORNO RECOMENDADOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS
HIDRAULICAS .................................................................................................... 95 ANEXO DE TABLA 2: VALORES ESTADÍSTICOS DEL MÉTODO GUMBEL ........................... 95 ANEXO DE TABLA 3: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 5 MIN ........ 96 ANEXO DE TABLA 4: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 10MIN ...... 96 ANEXO DE TABLA 5: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 15 MIN ...... 96 ANEXO DE TABLA 6: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 30 MIN ...... 97 ANEXO DE TABLA 7: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 60 MIN ...... 97 ANEXO DE TABLA 8: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 120 MIN .... 97 ANEXO DE TABLA 9: TIEMPO DE RETORNO DE 50 AÑOS CON EL MÉTODO DE BLOQUES
ALTERNOS ........................................................................................................ 98 ANEXO DE TABLA 10:TIEMPO DE RETORNO DE 100 AÑOS CON EL MÉTODO DE BLOQUES
ALTERNOS ........................................................................................................ 98
ANEXOS: INDICE DE FIGURAS
ANEXO FIGURA # 1: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC 25 AÑOS ................................. 99
ANEXO FIGURA # 2: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA TC 25 AÑOS ................................. 99
ANEXO FIGURA # 3: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA TC DE 25 AÑOS ............................ 99
ANEXO FIGURA # 4: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA TC DE 25 AÑOS ............................. 99
ANEXO FIGURA # 5: HIDROGRAMA DEL PC-6 PARA TC DE 25 AÑOS ............................ 99
ANEXO FIGURA # 6: HIDROGRAMA DEL PC-5 PARA TC DE 25 AÑOS ............................ 99
ANEXO FIGURA # 7: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA TC DE 25 AÑOS ....................................... 99
ANEXO FIGURA # 8: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA TC DE 25 AÑOS ........................................ 99
ANEXO FIGURA # 9: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 25 AÑOS ..................................... 99
ANEXO FIGURA # 10: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA TC DE 25 AÑOS ..................................... 99
ANEXO FIGURA # 11: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA TC DE 25 AÑOS......................... 99
ANEXO FIGURA # 12: HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA TC DE 25 AÑOS......................... 99
ANEXO FIGURA # 13: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC DE 50 AÑOS ........................... 99
ANEXO FIGURA # 14: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 25 AÑOS ... 99
ANEXO FIGURA # 15: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99
ANEXO FIGURA # 16: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99
ANEXO FIGURA # 17: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99
ANEXO FIGURA # 18: HIDROGRAMA DEL PC-5 PARA TC DE 50 AÑOS ........................... 99
ANEXO FIGURA # 19: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA TC DE 50 AÑOS ........................... 99
ANEXO FIGURA # 20: HIDROGRAMA DEL PC-6 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99
ANEXO FIGURA # 21: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99
ANEXO FIGURA # 22: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA TC DE 50 AÑOS ........................... 99
ANEXO FIGURA # 23:HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 50 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 24:HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA TC DE 50 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 25: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 50 AÑOS ... 99
ANEXO FIGURA # 26: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA TC 50 AÑOS ............................ 99
ANEXO FIGURA # 27: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 28: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 29: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 30: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 31: HIDROGRAMA DEL PC-5 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 32: HIDROGRAMA DEL PC-6 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 33: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 34: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 35: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99
ANEXO FIGURA # 36: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 100 AÑOS ....................... 99
ANEXO FIGURA # 37: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA TC DE 100 AÑOS ....................... 99
ANEXO FIGURA # 38: HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA TC DE 100 AÑOS ....................... 99
ANEXO FIGURA # 39: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA EL HURACÁN CESAR .................... 99
ANEXO FIGURA # 40: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 100 AÑOS . 99
ANEXO FIGURA # 41: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA HÚRACAN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 42: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA HÚRACAN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 43: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 44: HIDROGRAMA DEL PC-5 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 45: HIDROGRAMA DEL PC-6 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 46: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 47: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 48: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 49: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA HURACÁN CESAR ...................... 99
ANEXO FIGURA # 50: HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA HURACÁN CESAR ...................... 99
ANEXO FIGURA # 51: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 52: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 53: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA HURACÁN CESAR ...................... 99
ANEXO FIGURA # 54: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA HURACÁN CESAR . 99
ANEXO FIGURA # 55: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA HÚRACAN CESAR ........................ 99
ANEXO FIGURA # 56: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 57: HIDROGRAMA DEL PC-5 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 58: HIDROGRAMA DEL PC-6 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 59: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 60: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 61: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99
ANEXO FIGURA # 62: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA HURACÁN MITCH ....................... 99
ANEXO FIGURA # 63: HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA HURACÁN MITCH ....................... 99
ANEXO FIGURA # 64: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA HURACÁN MITCH ....................... 99
ANEXO FIGURA # 65: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA HURACÁN MITCH . 99
ANEXO FIGURA # 66: CAJA VEHICULAR DE CARRETERA NORTE (CAUCE EL BORBOLLÓN)
....................................................................................................................... 99
ANEXO FIGURA # 67: TRAMO AGUAS ARRIBA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ..................... 99
ANEXO FIGURA # 68: CAJA VEHICULAR ..................................................................... 99
ANEXO FIGURA # 69: CARRETERA NORTE (CAJA PUENTE ) ........................................ 99
ANEXO FIGURA # 70: CONDICIONES ACTUALES DE LA CAJA VEHICULAR ....................... 99
ANEXO FIGURA # 71: TRAMO AGUAS ABAJO DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ....................... 99
ANEXOS: INDICE DE MAPAS MAPA 1: DELIMITACION DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ........... 99 MAPA 2: USO DE SUELO DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN .......... 99 MAPA 3: RANGOS DE PENDIENTES DE LA CUENCA DEL CAUCE EL
BORBOLLÓN ................................................................................................. 99 MAPA 4: RANGOS DE ELEVACIONES DE LA CUENCA DEL CAUCE
BORBOLLÓN ................................................................................................. 99
CAPITULO I
18
1. GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN Entre los años 1936-1948 la ciudad de Managua tenía una estructura urbana
unipolar, pero a partir de la gran catástrofe causada por el terremoto en el año 1972
esta, se trasformó a una estructura multipolar, es decir que la capital ha crecido
urbanísticamente de forma desordenada, creándose así asentamientos irregulares,
repartos ilegales, tomas de terrenos urbanos etc., trayendo como consecuencia que
la labor para el manejo de estos sitios sea ardua pero no imposible.
Es por tal razón que las construcciones que se han desarrollado, son con el
propósito de suplir necesidades, así como evitar problemáticas que son
ocasionadas por desastres naturales o por el espontaneo crecimiento poblacional,
siendo este el motivo de fomentar el desarrollo de numerosos proyectos de
construcción que han favorecido el progreso tanto de la capital como las distintas
zonas y departamentos de Nicaragua.
A partir de la década de 1980 la gestión urbana se vio fragmentada y discontinua
lo cual trajo como consecuencia el aumento a la escorrentía superficial, en la
Subcuenca III de Managua el riesgo a inundaciones en la parte baja y media es
progresiva, a esta problemática se le suma las variaciones topográficas y el mal
manejo de los suelos en áreas que influyen directamente en las vías públicas, lo
cual están altamente deterioradas debido a falta de mantenimiento, asociadas a la
vulnerabilidad de la zona y a la falta de medidas de control de los procesos erosivos.
En la parte alta de la Subcuenca III se origina el cauce principal “El Borbollón”, su
caudal ha crecido de acuerdo al crecimiento urbanístico, destacando la zona baja
de la cuenca donde se dan las mayores afectaciones debido a las variaciones
abruptas del terreno. En la intersección del cauce con la Carretera Norte está en su
mayoría sedimentado debido que al estar en áreas Semi-urbanas arrastra gran
19
cantidad de desechos de cultivos, la zona de riesgo más crítica se encuentra entre
las urbanizaciones Sta. Helena y Monte fresco debido a que las inundaciones son
instantáneas a causa del aumento del fondo del cauce debido a los sedimentos,
que provoca el desborde por encima de la rasante de la carretera.
Por tanto, es de gran necesidad realizar estudios hidrológicos y la evaluación
hidráulica de una obra de cruce en la zona de la Subcuenca III, en específico para
el cauce “El Borbollón”, que permitan tener un registro de los efectos que causa la
naturaleza, y así contribuir al ordenamiento de la red de drenaje pluvial de Managua
en la actualidad. Por ende este trabajo se basa en evaluar la caja vehicular ubicada
en el Km 12 de Carretera Norte en el Distrito VI de Managua.
20
1.2 ANTECEDENTES
A lo largo de los distritos de Managua, específicamente en el distrito VI, no se
encuentran ríos, sin embargo, dada las características topográficas del terreno,
posee un relieve de pendientes abruptas donde se han desarrollado profundas
cañadas; éstas se comportan como ríos durante el periodo de lluvias ya sean
intensas o prolongadas, conectándose a la red de cauces que desembocan al lago
de Managua. A consecuencia de poseer una desordenada red de drenaje en la
ciudad y las lluvias intensas, pueden desbordar los cauces en algunos puntos
críticos de la ciudad, provocando inundaciones en los barrios bajos.
En el punto más bajo del sector del cauce “El Borbollón” de la Subcuenca III se
encuentra las mayores afectaciones en los barrios aledaños en donde en su
intersección con la carretera norte se encuentran Bo. Sta. Elena, Bo. Monte fresco
y Bo. Alexis Arguello que son los más afectados según estudios territoriales del
distrito VI de Managua.
Estos barrios cuentan con un drenaje deficiente e intrincado, y también es afectada
eventualmente por los desbordamientos del Cauce y por la escorrentía generada en
su propia área (MANAGUA, 2008).Dentro del barrio, los caminos sirven como
cauces y no tienen capacidad para las escorrentías que se producen. Y por tanto
se inunda la mayor parte de los barrios con frecuencia.
De acuerdo con las orientaciones del presidente Daniel Ortega y las autoridades de
la alcaldía de Managua dieron a conocer los daños ocasionados actualmente con
las fuertes lluvias en el mes de mayo. Según el registro de la estación del Aeropuerto
Agusto C. Sandino reporta 53mm de lluvia, sin embargo en ciudad Sandino y
Tipitapa se reportan 100 mm de lluvias.
Destacando que el lugar más afectado de esa zona es Monte fresco, sobre la
carretera norte. En esa zona se presenta el desborde del cauce del Borbollón
21
arrastrando sedimentos y material vegetal, lo cual provoca la inundación de un
promedio de 50-60 viviendas tanto en Monte Fresco como en el barrio Santa Elena.
22
1.3 JUSTIFICACIÓN El presente trabajo de culminación de estudio dará a conocer la evaluación de la
caja vehicular del cauce “El Borbollón” ubicada en carretera norte km 12 ½,
cercanas a las urbanizaciones de Sta. Helena y Monte fresco, tiene como objetivo
evaluar las problemáticas de los sectores aledaños tanto al cauce como a la obra
de cruce para que en un futuro tomar decisiones en la mejora del sistema de
drenaje pluvial en Managua.
Por tanto se pretende hacer un análisis hidrológico adecuado, para determinar el
caudal proveniente desde el origen del cauce hasta el punto de cierre localizado en
la caja vehicular de la carretera norte, de tal manera que nos permita tener un mejor
control. Una vez determinado el caudal con los periodos de retornos adecuados se
procederá a evaluar la obra de cruce con sus dimensiones reales para determinar
las condiciones en la que se encuentra, ya que debido a la fuerte intensidad de las
lluvias en los últimos años se han provocado se han provocado estragos en las
cercanías de la caja vehicular, de forma que el nivel del agua sobrepase la rasante
de la carretera provocando pérdidas económicas sustanciales y en un futuro puede
provocar pérdidas humanas.
23
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivos Generales
Evaluación hidráulica de caja vehicular del cauce “El Borbollón” en el Km
12 ½ Carretera Norte del distrito VI de Managua.
1.4.2 Objetivos específicos
Efectuar el estudio hidrológico de la cuenca del cauce “El borbollón” con
respecto al punto de cierre en la caja vehicular.
Determinar los caudales de diseño a partir de periodos de retornos 25, 50,100
años y con los eventos extremos del Huracán Mitch y Huracán Cesar.
Valorar el funcionamiento de la caja vehicular con sus dimensiones reales.
24
CAPITULO II
25
2. BASES TEÓRICAS
2.1 Estudio Hidrológico de la cuenca Según (Sheng, 1992) todo análisis de cuencas hidrográficas, para ser eficaz, debe
de realizarse un esfuerzo relativamente intenso en una zona limitada por lo que es
necesario elegir esta con mesura, un análisis hidrológico permite determinar los
recursos hídricos disponibles para un posterior análisis y diseño hidráulico.
Existen diversos factores que influyen directamente en el análisis hidrológico de una
cuenca, cuyo estudio permite la obtención de caudales de diseños que garantizaran
el buen funcionamiento del sistema de drenaje proyectado, acorde a las exigencias
hidrológicas de la zona de estudio. Cuyas características físicas, presentes en el
estudio de la cuenca, forman un sistema que permite una mejor visión para el
comportamiento hidrológico de dicha zona.
2.1.1 Morfología de la cuenca hidrográfica La dificultad de relacionar las características físicas e hidrológicas de una cuenca
se debe a un gran número de factores (Linsley, Kohler, & Paulhus, 1988), estos
factores actúan directamente en el funcionamiento de la cuenca ya que no
únicamente interesa el volumen total de salida si no su distribución espacial y
temporal que permita tener conocimiento de las características. Ver tabla 1
Tabla 1: Parámetros Morfométricos para análisis de cuencas NUMERO PARAMETRO DETALLE
1 Área (A) Área Total de la Cuenca 3 Forma (F) Índice de Alargamiento
Índice de Compacidad Factor de forma
4 Drenaje (D) Orden del cauce Densidad de drenaje
5 Relieve (R) Longitud de Cauce Principal Pendiente de la cuenca Pendiente del Cauce Curva Hipsométrica Elevación promedio de la cuenca
26
2.1.1.1 Área de la cuenca. (A) Se denomina área de la cuenca a aquella zona en la cual las aguas superficiales
están delimitadas por su divisoria topográfica (parteaguas), el área es obtenida
mediante software especializados como Sistemas de Información Geográfica (SIG),
AutoCAD, Arc view, tomando en cuenta criterios de diseño específicos. Esta área
nos permite establecer una primera clasificación entre diversas cuencas en orden a
su tamaño. Ver tabla 2
Fuente: (CORASCO, 2008)
2.1.1.2 Parámetros según su forma.
A. Índice de alargamiento (Ia) Se considera como la máxima longitud tomando en cuenta solamente el cauce
principal y su ancho máximo medido perpendicularmente. Cuando este factor
converge a la unidad se consideran poco alargadas. Ver tabla 3
Dónde: Ia: Índice de alargamiento.
Lm: Longitud máxima de la cuenca.
l: Ancho máximo de la cuenca.
Tabla 2:Clases de tamaño de cuencas (km2) Rangos de áreas Clases de tamaño
Menos de 25 Muy Pequeña 25 a 250 Pequeña
250 a 500 Intermedia Pequeña 500 a 2500 Intermedia Grande
2500 a 5000 Grande Más de 5000 Muy Grande
27
Fuente:(CORASCO, 2008)
B. Indicé de compacidad (Kc) Se contempla como la relación entre el perímetro de la cuenca y la de una
circunferencia ya que según los estudios de Gravelius en 1914 considera que el
círculo inscrito posee la misma área de la cuenca que se estudia. Según
(CORASCO, 2008). Ver tabla 4
Dónde: Kc: Coeficiente de compacidad A: Área de la cuenca (Km2) P: Perímetro del área de la cuenca (Km) Estos valores de coeficiente no pueden ser menores a 1, y de manera que esta
tienda a converger a la unidad los volúmenes de agua serán mayores. Fuente:(CORASCO, 2008)
C. Coeficiente de forma. (Kf)
Se define como coeficiente de forma a la relación existente al área promedio de la
cuenca entre su longitud, desde su origen hasta su punto de cierre. Este coeficiente
Tabla 3:Clasificación de Valores de Alargamiento Rangos de Ia Clases de alargamiento
0.0 - 1.4 Poco alargada 1.5 - 2.8 Moderadamente alargada 2.9 - 4.2 Muy alargada
Tabla 4: Clasificación de Valores de Compacidad Rangos de Kc Clases de compacidad
1.00 – 1.25 Redonda a oval redonda 1.25 – 1.50 De oval redonda a oval oblonga 1.50 – 1.75 De oval oblonga a rectangular
oblonga
28
no puede ser menor a la unidad, y mientras más converja a este valor se considera
menos achatada. Ver tabla 5
Dónde:
Kf: Coeficiente de forma.
A: Área promedio de la cuenca (Km2)
L: Longitud de la cuenca (Km)
Fuente: (CORASCO, 2008)
2.1.1.3 Parámetros según su drenaje
A. Orden de un cauce
“Cuando dos drenes o afluentes del mismo orden U se unen, se forma uno de otro
orden superior U+1“.(Strahler, 1957), Es decir jerarquizar de forma directa los
afluentes que se presentan tomando en cuenta los ramales primarios y secundarios
hasta llegar a un punto de cierre.
Esta clasificación se puede denominar de la siguiente forma:
Rio de primer orden: Ríos que no poseen afluentes. Rio de primer orden: Ríos que poseen afluentes de primer orden.
Rio de primer orden: Ríos que poseen afluentes de primer y segundo orden.
Tabla 5:Clasificación de Valores de Forma
Rangos de Kf Clasificación según su forma
0.01 - 0.18 Muy poco achatada
0.18 - 0.36 Ligeramente achatada
0.36 - 0.54 Moderadamente achatada
29
Fuente : (Strahler, 1957)
B. Densidad de drenaje (Dd)
Este parámetro refleja controles topográficos, litológicos, pedológico y
vegetaciones, tomando en cuenta la influencia del hombre. La densidad de drenaje
se calcula dividiendo la longitud total de las corrientes de la cuenca entre el área de
esta. Ver tabla 6
Dónde: Dd: Densidad de drenaje.
A: Área promedio de la cuenca (Km2).
L: Longitud de las corrientes efímeras, intermitentes, y perennes de la cuenca en
Km.
El valor de densidad de drenaje es inversamente proporcional a la extensión de la
cuenca. Para un valor alto de densidad corresponden grandes volúmenes de
escurrimiento la que producirá ascensos de las corrientes, se puede considerar que
valores próximos o máximos a 0.5 Km/Km2 indican eficiencia en la red de drenaje.
Fuente: (CORASCO, 2008)
Tabla 6: Clasificación según densidad de drenaje Rangos de Densidad Clasificación según su
densidad 0.1 - 1.8 Baja 1.9 - 3.6 Moderada 3.7 – 5.6 Alta
Figura # 1: Ordenación de una red de canales
30
2.1.1.4 Parámetros según su relieve.
A. Pendiente de la cuenca
Controla de forma adecuada la velocidad en la cual se da la escorrentía superficial
de la Subcuenca la cual afecta de forma directa el tiempo de la precipitación para
concentrarse en la red de drenaje de las Subcuencas. Este parámetro influye en la
determinación del coeficiente de escorrentía.
B. Pendiente del cauce principal La pendiente media del cauce principal es igual al cociente del desnivel entre los
extremos del cauce principal y su longitud en planta.
Dónde:
H: Desnivel en el cauce principal
L: Longitud total del cauce principal
Sc: Pendiente del cauce
Es uno de los indicadores más importante del grado de respuesta de una cuenca a
una tormenta, está pendiente varia a lo largo del cauce, y según estudios se pueden
clasificar según lo siguiente. Ver tabla 7
Tabla 7:Valores de pendiente del cauce principal (m/m) Rangos de pendiente Clases de Pendiente
0.01-0.05 Suave 0.06-0.11 Moderada 0.12-0.17 Fuerte
Fuente: (CORASCO, 2008)
31
C. Curva hipsométrica Este parámetro hidrológico representa el área drenada variando con respecto al
nivel de la superficie de la cuenca es decir cómo se comporta la cuenca a distintos
niveles topográficos. Toma en cuenta la relación entre la altimetría de esta y su
elevación. Las curvas hipsométricas también han sido asociadas con las edades de
los ríos.
Esta variación es indicada a partir de un gráfico la cual en el orden de las abscisas
se coloca los valores de la superficie drenada proyectada en Km2 y en las ordenadas
el nivel de esta generalmente en metros.
D. Elevación promedio de la cuenca
Este parámetro influye directamente en las características meteorológicas de la
cuenca, en la mayoría de los casos existe una similitud entre la precipitación de la
cuenca y la elevación de esta, mientras mayor es la cuenca con respecto a su
elevación mayor serán las precipitaciones en esta. Se calcula a partir:
Dónde:
H: Elevación promedio de la cuenca
Ci: Cota media del área delimitada por dos curvas de nivel
Curva Hipsométrica Figura # 2: Curva Hipsométrica
32
ai: Área entre curvas de nivel
A: Área total de la cuenca
E. Longitud del cauce principal
Este parámetro consiste en la suma de cada uno de los tramos del cauce
considerando de forma directa cada uno de los levantamientos planímetros que se
dan en la cuenca. Ver tabla 8
Este parámetro considerando su tamaño se puede clasificar de la siguiente forma.
Tabla 8:Clases de valores de longitudes del cauce principal Rangos de longitud en Km Clases de longitud del cauce
6.9-10.9 Corto 11 - 15 Mediano
15.1-19.1 Largo Fuente: (CORASCO, 2008)
F. Curva de área de frecuencia Es la estimación del porcentaje del área comprendida entre las curvas en estudio
con respecto a la superficie de la cuenca. Se define como la división del área entre
curvas y el área total de la cuenca dada en porcentaje
2.1.2 Geología de la cuenca
2.1.2.1 Uso de suelo En la ciudad de Managua el uso actual del suelo origina transformaciones como es
el aumento de la escorrentía superficial, debido a la influencia del ser humano en
donde la intervención de este ha provocado cambios sustanciales en la estructura
vegetal. En la alteración de la cubierta vegetal se distinguen dos tipos de
intervención humana, en una se elimina completamente al bosque, y la segunda en
la que se observa un proceso de transformación parcial.
33
Para un análisis general se logró reclasificar los usos de suelos en 7 tipos principales
en los cuales se encuentran los siguientes:
A. Bosque Está constituido por todos los conjuntos de vegetación leñosa con cobertura de
copas de árboles, cubierta por buenos pastizales.
B. Cultivo Son áreas dedicadas a labores agrícolas, donde los cultivos principales son maní,
maíz y algunas hortalizas como tomate, y sorgo. Asi como pequeñas unidades de
producción, con cultivos anuales, Semi-perennes y frutales, en donde generalmente
habitan los dueños de dichos huertos.
C. Comercio Según esta reclasificación se considera el uso de suelo el área que representa los
diferentes comercios que están ubicados en el área de estudio pueden ser
pequeños negocios de abarrotes hasta vendedores ambulantes y comerciantes
minoristas, también hay comercio diversificado como carpintería, servicios de
mecánica automotriz, salones de bellezas etc.
D. Área abierta 1 y 2
Es el área donde se ubican jardines, campos deportivos y cementerios, estos se encuentran dentro de un rango ya sea aceptables y óptimas condiciones.
E. Residencial Representa el área de las urbanizaciones en el área de análisis el cual actúan
como elementos importantes para la definición del crecimiento urbano cualquiera
sea la modalidad de los conglomerados de vivienda.
F. Agua Es un porcentaje el cual representa cuerpo de aguas como pequeñas presas,
bordos, quebradas etc.
34
G. Calles y Carreteras Representa el área donde se ha urbanizado y se han realizado construcciones de vías de acceso principales.
2.1.2.2 Tipo de suelo
El tipo de suelo nos ayuda a conocer de forma segura la permeabilidad del suelo
así como el grado de infiltración de lluvia. Mientras este sea más impermeable, la
escorrentía actuará con mayor velocidad en la superficie.
En el área de Managua no existe una columna estratigráfica única o completa, esto
se debe en parte a la fuerte meteorización y erosión de sus materiales en algunos
niveles.
Dependiendo de la ubicación los suelos pueden tener muchas clasificaciones y
características en la zona estudiada (Managua) las rocas piroclásticas,(Basalto,
tobas y pómez) se originaron como resultado de varios procesos geológicos, tales
como erupciones volcánicas violentas, meteorización, erosión y arrastres de los
mismos, los cuales han contribuido a la variada irregularidad de las relaciones
estratigráficas de los depósitos. Como consecuencia de los procesos geológicos tan
variados, actividad tectónica, morfología inclinada u ondulada del paisaje, muchos
horizontes de roca se encuentran interrumpidos, otros forman discordancia con
otros niveles, unos están bien calibrados, otros se depositaron irregularmente, otros
presentan estratificación cruzada etc.
A. Sedimentos
Los sedimentos es unos de los mayores problemas en las construcciones
hidráulicas ya que estos son sólidos y se pueden presentar de forma de sedimentos
en suspensión ó material de arrastre .La arcilla y el limo están en el agua en
suspensión: la grava, arena y rocas se mueven como carga de fondo cerca del piso.
35
B. Escoria Se puede entender por escoria al material que es desechado y que no tiene
ninguna utilidad en el suelo.
C. Basalto Esta son rocas volcánicas de textura muy dura y de grano fino que tiende a
agrietarse con dificultad estas poseen resistencia alta y son extraídas y utilizadas
en las construcciones bajo el agua, expuestas bajo el agua con el tiempo se ponen
resbaladizas.
D. Pómez
La piedra pómez es muy abundante en territorio nicaragüense y se encuentra
comúnmente en Managua, es una piedra de origen volcánico de características de
alta porosidad, ligera y sirve como aislante térmico.
La piedra pómez se encuentra combinada con otros suelos, muchas veces en la
superficie terrestre, normalmente debería ubicarse entre los estratos 2 o 3 del suelo.
E. Tobas La tobas se encuentran en el suelo con características similares a las pómez son
porosas y ligeras formadas por cal y encontradas principalmente en manantiales
donde hay concurrencia de cuerpos de aguas.
Mediante un estudio de suelo según (Gómez) se localiza la unidad más extensa de
suelo tobáceos encontrándose tanto en Managua como en la zona del Pacífico.
También se considera unidad estratigráfica guía por su extensión y uniformidad. Su
espesor varía entre 0.3m y 1.0m.
2.1.2.3 Granulometría del suelo La granulometría es la que permite determinar la proporción en que participan los
granos de suelos en función de sus tamaños, a esas proporciones, así como definir
la estructuración según su tipo.
36
Cuando se indica la textura del suelo, no se puede definir de una manera específica
ya que las partículas del suelo se encuentran combinadas con otros suelos es por
eso que se construye la curva granulométrica para la determinación de su tamaño
mediante métodos unos más utilizados es el de los tamices.
La granulometría también permite conocer de forma definida la estructuración del
suelo está según su tipo, como es:
2.1.3 Método del SCS
Esta técnica denominada Número de Curva del Servicio de Conservación de Suelos
de los Estados Unidos se basa en las características que posee cada tipo de suelo,
registrado en SCS con respecto a su capacidad de drenaje, a su vez nos permite la
determinación del coeficiente de escorrentía sin medir está directamente.
Este sistema de clasificación toma en cuenta los valores tabulados por la Soil
Conservation Service 1975 y relaciona el tipo del suelo y el uso del suelo para así
obtener valores que indique que tan permeable o impermeable es el suelo, estando
en dependencia de la cobertura vegetal del suelo así como condiciones
antecedentes de humedad y modo de utilización del terreno. Por tanto se elaboró
una tabla con los valores necesarios para el cálculo del CN (Ver tabla 10), cabe
destacar para una cuenca que tiene varios tipos de suelo y con diferentes usos de
tierra se calcula un CN compuesto.
CN compuesto =Σ (%) (CN)/ 100
Este procedimiento se basa en las dos hipótesis siguientes: La precipitación comienza a producir escorrentía directa (o comienza a producirse
precipitación neta, Pn) cuando la precipitación total caída hasta ese momento (Σp)
supera la abstracción inicial (Ia) antes del encharcamiento .se considera que el
umbral inicial es de 20% de la máxima abstracción potencial posible (s).
37
Se puede establecer una proporción en las que las relaciones de las dos cantidades
reales y las dos cantidades potenciales son iguales es decir:
(Abstracción producida) / (Abstracción máxima)= (p neta producida) / (p
neta máxima)
El tipo de suelo posee influencia en la tasa de descarga de los hidrógramas de la
escorrentía ya que afecta directamente la permeabilidad del suelo, así como la tasa
de infiltración de lluvia. En base a esto se involucran estos valores del número de la
curva la cual se subdividieron en grupos los tipos de suelos existentes.
38
Fuente: Hidrología Aplicada (Chow, 1994 )
Tabla 9:Tipos de suelos existentes con base al uso de la tierra para el cálculo del número de la curva SCS
Grupo de Suelo
Descripción Razón final de infiltración
(mm/h) A Potencial mínimo de escurrimiento .Incluye
arenas profundas con muy poco limo y arcilla y también rápidamente permeables.
8 a 12
B Potencial de escurrimiento moderadamente bajo. La mayor parte son suelos arenosos menos profundos que en A, loess menos profundos o menos agregados que en A. pero el grupo como un todo tiene infiltración arriba del promedio después de la humectación completa.
4 a 8
C Potencia de escurrimiento moderadamente alto. Comprende suelos pocos profundos y suelos que contienen gran cantidad de coloides y arcillas aunque en menor grado que en el grupo D. La infiltración en el grupo es inferior al promedio después del pre saturación.
1 a 4
D Potencial de escurrimiento máximo .Incluye principalmente arcillas con un porcentaje alto de hinchazón, pero también algunos suelos someros con Sub-horizontes casi permeables cerca de la superficie.
0 a 1
39
Tabla 10:Números de curva de escorrentía para uso selectos de tierra agrícola, suburbana y urbana (condiciones antecedentes de humedad II, Ia=0,2S)
Descripción del uso de la tierra A B C D
Tierra cultivada
Sin tratamientos de conservación 72 81 88 91
Con tratamientos de conservación 62 71 78 81
Pastizales Condiciones pobres 68 79 86 89
Condiciones optimas 39 61 74 80
Vegas de ríos
Condiciones optimas 30 58 71 78
Bosques Troncos delgados, cubierta pobre, sin hierbas, cubierta buena.
45 66 77 83
25 55 70 77
Áreas abiertas
Césped, parques, campos de golf, cementerios, etc. óptimas condiciones, cubierta de pasto en el 75% o más condiciones aceptables, cubierta de pasto en el 50 al 75 %
39 61 74 80
49 69 79 84
Áreas comerciales de negocios (85 % impermeables) 89 92 94 95
81 88 91 93
Residencial Tamaño promedio del lote
Porcentaje promedio impermeable
1/8 acre o menos 65 77 85 90 92
1/4 acre 38 61 75 83 87
1/3 acre 30 57 72 81 86
1/2 acre 25 54 70 80 85 1 acre 20 51 68 79 84
Parqueaderos pavimentados, techos, accesos, etc. 98 98 98 98
Calles y carreteras
Pavimentadas con cunetas y alcantarillado 98 98 98 98 Grava 76 85 89 91 Tierra 72 82 87 89
Fuente: Hidrología aplicada (Chow, 1994 )
40
2.1.4 Curvas IDF por el método de Gumbel Para el cálculo de las curvas IDF se utiliza el método de Gumbel, el cual consiste
en una distribución estadística que es utilizada en el cálculo de caudales de
avenidas para el dimensionamiento y diseño de grandes obras hidráulicas. Esté
método se basa en probabilidades en el estudio máximo de una serie donde los
datos a utilizar en las relaciones es de media, desviación estándar y valores de μ,
σ que son calculados durante todo el proceso. Ver tabla 11
Tabla 11:Valores para el cálculo de alfa y beta
N y y N y y 10 0.4967 0.9573 40 0.5436 1.1413 11 0.4996 0.9676 41 0.5442 1.1436 12 0.5039 0.9833 42 0.5448 1.1458 13 0.507 0.9971 43 0.5453 1.1480 14 0.51 1.0095 44 0.5458 1.1499 15 0.5128 1.0206 45 0.5463 1.1519 16 0.5154 1.0306 46 0.5468 1.1538 17 0.5176 1.0396 47 0.5473 1.1557 18 0.5198 0.1048 48 0.5477 1.1574 19 0.5202 1.0544 49 0.5481 0.1159 20 0.5236 1.0628 50 0.5485 1.1607 21 0.5252 1.0696 51 0.5489 1.1623 22 0.5268 1.0754 52 0.5493 1.1638 23 0.5283 1.0811 53 0.5497 1.1658 24 0.5296 1.0864 54 0.5501 1.1667 25 0.5309 1.0915 55 0.5504 1.1681 26 0.532 1.0961 56 0.5508 0.1696 27 0.5332 1.1004 57 0.5511 1.1708 28 0.5343 1.1047 58 0.5515 1.1721 29 0.5353 1.1086 59 0.5518 1.1734 30 0.5362 1.1124 60 0.5521 1.1747 31 0.5371 1.1159 65 0.5535 1.1803 32 0.538 1.1193 70 0.5548 1.1854 33 0.5388 1.1226 75 0.5559 1.1898 34 0.5396 1.1255 80 0.5569 1.1938 35 0.5403 1.1285 85 0.5578 1.1973 36 0.541 1.1313 90 0.5586 1.2007 37 0.5418 1.1339 95 0.5593 1.2038 38 0.5424 1.1363 100 0.56 1.2065 39 0.543 1.1388
Fuente: Hidrología aplicada (Chow, 1994 )
41
El valor máximo que se requiere para un determinado periodo de retorno se
determina por medio de la expresión:
X = Xm + Dx= Xm + K * Sn-1
Dónde:
X: Valor máximo (caudal o precipitación) para un periodo de retorno T.
Xm: media de la serie dada de valores máximos.
Dx: Desviación respecto a la media que se estima mediante le producto de K*S n-1
K: Factor de frecuencia, que indica el número de veces de la desviación típica en el
valor extremo considerando excede a la media de la serie.
S n-1: Desviación estándar, desviación típica de los valores extremos.
Calculados todos los componentes para cada periodo de retorno se pueden
construir las curvas IDF conforme a los datos de intensidades facilitadas por
INETER.
2.1.5 Método de bloques alternos El método del bloque alternos consiste en desarrollar hietogramas de diseño
utilizando una curva de intensidad –Duración –frecuencia.
Los hietogramas de diseño refleja la profundidad de precipitación que ocurre en n
intervalos de tiempo sucesivos de duración Δt sobre una duración total de Td=n Δt.
Después de seleccionar los periodos de retorno de diseño, la intensidad es
determinada a través de la ecuación de la curva generada por las IDF, para cada
una de las duraciones. Por consiguiente la profundidad de precipitación
correspondiente dada en mm se encuentra multiplicando la intensidad y la duración
dependiendo de cada intervalo de tiempo.
Los valores sucesivos de profundidad determina la cantidad de precipitación que
debe añadirse por cada unidad adicional del tiempo, para cada incremento de
42
bloque se a reordenando en una secuencia temporal de manera que la intensidad
máxima ocurras en el centro de la duración requerida y los demás bloques en orden
ascendente alternos de izquierda y derecha de tal manera que se pueda formar el
denominado hietograma de diseño. Ver Figura # 3
Fuente: Hidrología aplicada (Chow, 1994 )
2.1.6 Parámetros para el transito
A. Intensidad de la lluvia (I) Las intensidades de lluvias son calculadas para un tiempo crítico de concentración
(tc) de una tormenta de diseño que posee un tiempo de retorno determinado
Los valores de las intensidades de las precipitaciones de la lluvia pueden ser
tomadas directamente de las curvas IDF (Intensidad –Duración –Frecuencia) de las
estaciones meteorológicas representativas, calculadas para diferentes tiempos de
retorno.
Figura # 4: Hietograma de diseño utilizando método de Bloques Alternos
43
B. Tiempo de concentración (Tc) El tiempo de concentración se define como el tiempo que tarda una gota de agua
en llegar a la parte más alejada de la cuenca en todo su recorrido al sitio de la salida
de la cuenca. Generalmente este parámetro de tránsito para un punto dado de
captación de aguas pluviales se divide en dos partes; el tiempo invertido en el flujo
superficial hasta totalidad del drenaje del área correspondiente, y el tiempo de viaje
del flujo en la alcantarilla. Los tiempos para cada tramo se suman. A su vez pueden
determinar las características hidráulicas de los cauces urbanos.
A continuación la ecuación siguiente:
Tc = 0.0041 [(3.28 *L / √ Sc)] ^0.77
Dónde:
Tc: Tiempo de concentración
L: Longitud del cauce principal
Sc: Pendiente del cauce.
C. Velocidad de tránsito (Vt) La velocidad de tránsito para el flujo en la subcuenca se calcula con las formula de
la velocidad.
V = L / tc Dónde: V: Velocidad del flujo
L: Longitud total del cauce en la Subcuenca.
Tc: Tiempo de concentración en la cuenca.
Cuando más de una subcuenca converge en el punto inicial del tránsito entonces
será el promedio aritmético de las velocidades del flujo en cada subcuenca.
44
Vt= 1/n [V1+V2+….+Vn]
Donde N es la cantidad de subcuencas que convergen en el punto a partir del cual
se hará el tránsito.
En el segundo tránsito y los posteriores será el promedio aritmético considerando la
velocidad del flujo en cada subcuenca que convergen en el punto donde inicia el
transito incluida la velocidad de los tránsitos inmediatos anterior realizados hasta
cierto punto.
Vt = 1/x [V1+V2+….+Vt]
Dónde:
X: Representa la cantidad de datos a sumar.
D. Longitud del tránsito (Lt)
Es la distancia entre dos puntos de control consecutivos, que están medidos desde
el cauce principal de la cuenca en estudio dado en metros o kilómetros.
E. Tiempo de retardo (K)
Es el tiempo pico del hidrograma a transitar y el tiempo pico del hidrograma
transitado dado en minutos o en horas.
K = Lt / Vt
Dónde:
K=Tiempo de Retardo
Lt= Longitud del tramo del cauce principal a través del cual se hará el tránsito.
Vt= Velocidades del tránsito a realizar.
F. Hidrograma triangular sintético
Es un gráfico generado a partir de los datos del tiempo de concentración (tc) o
tiempo pico (tp) y el caudal pico obtenido por el método (transito avenidas).se
45
plantea que la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración de la cuenca
al mismo tiempo pico del hidrograma.
El grafico es generado por un modelo computacional utilizando la ordenada para los
valores de caudal y la abscisa para el tiempo.
2.1.7 Método transito avenida con variante de Muskingum Consiste en la modulación de hidrógramas que representan gráficamente el
comportamiento de los caudales tanto de entrada como de salida en función del
tiempo, en uno de los puntos más largos de un curso de agua en el cauce, por tanto
proporciona niveles de agua en el cauce con valores inusuales, como consecuencia
a los crecimientos del caudal que circula en la red de drenaje
Este aumento en la mayoría de los casos, es consecuencia a precipitaciones
extraordinarias la cual la superficie de la cuenca no es capaz de infiltrarlas ya sea
por su uso o tipo de suelo. Generalmente los métodos para predecir el tiempo y la
magnitud de una avenida está asociado a lo que se denomina crecidas.
Además representa un modelo de estimación de caudales, principalmente de
torrenciales como se generan los flujos y como varían en el transcurso del tiempo y
lo largo del recorrido, pero para este estudio se pueden emplear diferentes métodos
siendo unos de los más utilizados la variante de Muskingum.
El método de Muskingum creado por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos
en 1938 y relaciona el almacenamiento en un cauce mediante un proceso de
combinación:
Almacenamiento Prismático formado por un volumen de sección transversal
constante a lo largo del cauce prismático.
Almacenamiento formado por la diferencia de los caudales de entrada y de
salida, o bien por la pendiente de la lámina de agua en el tramo considerado.
46
Figura # 5: Método de Muskingum
Fuente: (Román, Julio 2013)
La aplicación del método de tránsito de avenidas en la variante de Muskingum
(modelo de almacenamiento) se realiza de la siguiente forma:
Con un valor de (x) y un valor de (K) un valor de (t) igual al tiempo de concentración
mayor de las micro cuencas incluidas en un tramo particular, se obtienen valores de
C0, C1 y C2; los valores de (I) que se usan se tabulan y los productos C0I2 y C1I1 se
calculan.
K: es el tiempo estimado que tarda la onda de avenida en recorrer el tramo en
(Horas).
X: coeficientes de forma del cauce cuyo valor oscila entre 0.0 y 0.5.
Estos valores no son constantes si no que varían con el caudal circulante en cada
momento, siendo mucho más apreciable la variación de K que X, por lo que algunos
autores consideran ese parámetro constante.
También se utiliza el valor de K como el valor constante de tiempo de
almacenamiento para el tramo, cuando más tarda el pico en desplazarse por un
tramo, más pronunciado es el efecto de atenuación. Por tanto si es más grande, el
agua tardará más tiempo en atravesar el tramo y por tanto el punto de crecida será
menor o más distribuido.
47
Cuando se utiliza el factor de ponderación(X) y el factor de atenuación (K) juntos se
cuenta con un método solido de modelización para calcular un caudal de avenida a
través de un sistema fluvial.
La ecuación del Muskingum es la siguiente:
02=C0*I2+C1*I1+C2*O1 Dónde:
O2: Caudal de salida al momento de tránsito (m3/s)
I2: Caudal de entrada al momento del tránsito (m3/s)
01: Caudal de salida un instante antes del tránsito (m3/s)
I1: Caudal de entrada un instante antes del tránsito (m3/s)
C0, C1, C2: coeficiente de rugosidad del cauce.
Es importante recordar este método se basa en varias suposiciones en las cuales,
solo es válido para ondas de avenidas de variación lenta y no se toma en cuenta en
condiciones de flujos complejas.
A. Coeficiente de rugosidad
C0=- (KX-0.5t)/K-KX+0.5t
C1= (KX+0.5t)/K-KX+0.5t
C2=(K-KX-0.5t)/K-KX+0.5t
Dónde: K: tiempo de retardo o constante de almacenamiento en minutos. T: Tiempo del hidrograma a transitar.
48
X: Expresa la relatividad de las entradas y salidas del flujo al tramo de
almacenamiento del mismo. Su valor oscila entre 0.10 y 0.30 según las
características del cauce. Para cauces se utiliza el valor promedio 0.20.
Si se encuentran disponible hidrógramas de entrada y salida observados por un
tramo del canal se pueden determinar los valores de k y X.
Los coeficientes de rugosidad deben de cumplir que:
C0+C1+C2=1
2.1.8 Topografía La topografía es unos de las pautas primordiales para la realización de diseños de
obras ya que hace posible conocer el terreno en el cuál se desarrollará la
construcción y permitirá mitigar los problemas presentados en el sitio.
Además el estudio y levantamientos topográficos permiten conocer el desplante
geométrico para establecer compatibilidad técnica entre la obra de cruce y la
geometría vial de la carretera.
2.1.8.1 Levantamiento topográfico
Realizar el levantamiento con línea de diseño sobre el eje del cauce con una
longitud mínima de 200 metros aguas arribas y 200 metros aguas abajo.
Las secciones transversales deben de levantarse a cada 20 metros, son ortogonales
al eje de la corriente y la longitud a la izquierda y hacia la derecha deben de
prolongarse hasta pasar sobre la altura de inundación de crecidas de referencia
máxima.
El eje de la vía debe estar amarrado con la línea levantada sobre el eje del cauce.
49
En el caso de estructuras como puentes alcantarillas aletones se debe tomar en
cuenta la medición y nivelación de todos los detalles tales como diámetros de las
estructuras, nivel de entrada, nivel de salida, socavación por corrientes etc.
2.2 Estudio Hidráulico
2.2.1 Modelación hidráulica del cauce (Hec-Ras)
El programa fue desarrollado por el centro de ingeniería hidrológica del cuerpo de
ingenieros militares de los Estados Unidos (Hydrologic Engineering Center), para
realizar análisis de ríos (River Análysis System).
El Hec Ras facilita:
El cálculo de perfiles de agua y de los parámetros hidráulico del cauce.
Permite desarrollar estudios de flujos unidimensionales, permanentes y variados,
con regímenes subcritico, supercrítico en tramos de cauce con pendientes menores
de 10%.
Desarrolla cálculos de profundidades de socavación. Entre otras aplicaciones
hidráulicas como la modelación de puentes con diferentes formas pilas y estribos, y
calcular parámetros hidráulicos tales como niveles de agua velocidades y áreas
mojadas para diferentes caudales en el sitio de cierre.
Modela flujos bajos y altos esto es de acuerdo a la escorrentía estimada por el
diseño se puede determinar la estructura del puente más eficiente a lo que respecta
la capacidad hidráulica.(Nestor, 2012)
Para la modelación del software se necesita conocer lo siguiente:
50
2.2.1.1 Principio de la continuidad El principio de la continuidad se refiere a un fluido que hace su recorrido por un
ducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal
varía de una sección del conducto a otra.
Se puede decir que todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen
laminar), la velocidad de un punto cualquiera de un conducto es inversamente
proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma.
La ecuación de continuidad es el caso particular del principio de conservación de la
masa. En el cual el caudal del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda
la conducción.
Dado que el caudal es la cantidad de líquido que circula en un tiempo determinado
por la velocidad con que fluye el fluido.
Dado que:
(Q=V/t)
Figura # 6: Representación de la Ecuación de la continuidad
Fuente: Hidráulica canales abiertos(Mejía, octubre 2011)
2.2.1.2 Ecuación de Manning
La ecuación de Manning está basada en los datos experimentales debido a la
simplicidad de su forma y de los resultados satisfactorio que arroja en aplicaciones
prácticas la ecuación de Manning se ha convertido en las más utilizadas de todas
51
las ecuaciones de flujo uniforme para cálculos en canales abiertos la evolución de
la fórmula de Chezy la cual sirve para el cálculo de la velocidad del agua en canales
abiertos y tuberías, propuesta por el ingeniero irlandés Robert Manning en 1889.
V= 1/n (R2/3S1/2)
Dónde:
V: Velocidad media
R: Radio hidráulico
S: Pendiente de la línea de energía
n: Coeficiente de rugosidad
Q=VA=1/n*A*R2/3*S1/2
Dónde:
Q: Caudal que circula por el canal (m3/s).
A: Área de la sección transversal del canal.
Para diferentes condiciones de diseño se debe tomar en cuenta los factores que
afectan el coeficiente de rugosidad:
Vegetaciones: Esta situación se manifiesta con mayor frecuencia dependiendo de
las estaciones climáticas del año y de acuerdo a la claridad o transparencia del
agua, es decir que este crecimiento es mayor y por lo tanto más grave por que altera
principalmente los valores supuestos en base únicamente a la rugosidad.
Las irregularidades del canal: Corresponde al perímetro mojado y secciones
transversales, tamaño y forma de la longitud del canal.
Transporte de sedimentos y material en suspensión: este caso las partículas de
suelo que se trasladan en suspensión por el agua debido a la velocidad del
escurrimiento tiende a depositarse en el fondo del canal el fundamental problema
52
en un canal puede ser el arrastre de sedimentos ya que puede cambiar la
irregularidad y lo puede convertir en uno uniforme y disminuir el ¨n¨.
Tirante: se obtiene que aumentar el tirante la rugosidad relativa disminuye y
por lo tanto disminuye el coeficiente ¨n¨.
Superficie del canal: Este es representado por el tamaño y la forma de los
granos del material que forma el perímetro mojado y que producen un efecto
retardante sobre el flujo.
La estimación del coeficiente de rugosidad de Manning por el método de Cowan
quien determino los parámetros que afectarían el valor de n antes mencionado.
n: ms (n0+n1+n2+n3+n4) Dónde:
n: coeficiente de rugosidad de Manning
Ms: Frecuencia de meandros (Factor de corrección de sinuosidad)
n0: material del lecho
n1: grado de irregularidad.
n2: variación de la sección a lo largo del canal.
n3: efecto de obstrucciones
n4: densidad de vegetación.
La importancia de este método radica que es aplicable a corrientes naturales no
revestidos cuyo valor mínimo de rugosidad es de 0.002,ademas considera el efecto
del arrastre de fondo y del material en suspensión y es aplicable para canales
pequeños y medianos cuyo radio hidráulico sea menos que (RH<4.5).
53
Tabla 12: Valores de n con el método de Cowan
Superficie del canal
tierra n0 0,020 roca 0.025
grava fina 0.024 grava gruesa 0.028
Irregularidad suave n1 0,000 menos 0.005
moderada 0.01 severa 0.02
Variación de la sección
gradual n2 0,000 ocasional 0.005 frecuente 0.010-0.015
Efectos de obstrucción
menos n3 0.010-0.015 apreciable 0.020-0.030
severo 0.040-0.050 Vegetación bajos n4 0.005-0.010
medio 0.010-0.025 alto 0.025--0.050
muy alto 0.050-0.1 Intensidad de
meandros menos m5 1,000
apreciable 1,150 severo 1,300
Fuente: Hidráulica canales abiertos(Mejía, octubre 2011)
Tabla 13:Valores del coeficiente de rugosidad n (chow,1959) TIPO DE CANAL Y DESCRIPCIÓN Mínimos Normal Máximo
pastos densos ,altos como la profundidad del flujo 0.05 0.08 0.12 Fondo limpio ,arbustos en los lados 0.04 0.05 0.08 igual ,al más alto nivel del flujo 0.04 0.07 0.11 Arbustos densos ,nivel alto 0.08 0.10 0.14
CURSOS NATURALES CURSOS MENORES (ANCHO SUPERIOR AL
NIVEL DE CRECIDA<100ft) a. Cursos en planicie b. Limpio ,recto, nivel lleno ,sin fallas o pozos profundos 0.025 0.030 0.033 c. Igual de arriba pero más piedras y pasto 0.030 0.035 0.040 d. Limpio, curvado ,algunos pozos y bancos 0.033 0.040 0.045 Igual que arriba ,pero algunos pastos y piedras 0.035 0.045 0.05
54
Igual que arriba ,nivel inferiores, más pendientes y sección inefectivas 0.04 0.048 0.055 Igual que 4 ,pero más piedras 0.045 0.05 0.06
Tramos sucios ,con pastos y pozos profundos 0.05 0.07 0.08 tramos con muchos pastos, pozos profundos o recorridos de la crecida con mucha madera y arbustos bajos 0.075 0.1 0.15
Cursos en montañas, sin vegetación en el canal, laderas con pendientes usualmente pronunciadas, árboles y arbustos a los largos de las laderas sumergidos para niveles
altos.
Fondo : grava ,canto rodado y algunas rocas 0.03 0.04 0.05 Fondo : canto rodado con grandes rocas 0.04 0.05 0.07
Fuente: Help settings Software Hec Ras.
2.2.2 Conceptualización del Hec Ras
El Hec Ras según sus características es una herramienta de proyectos que facilita
Información geométrica necesaria para llevar a cabo simulaciones.
Además unos de los principales objetivos del programa es el cálculo de perfiles de
flujo en todos los puntos de interés para obtener un conjunto de datos (simulación
de flujos uniforme), o también puede variar según la metodología hidrológica a
través de sistemas no uniformes.
Para obtener los resultados esperados y el diseño de dicho cauce es necesario
dividir los cálculos en sus dos componentes: Datos Geométricos y datos hidráulicos.
2.2.2.1 Componentes de datos geométricos Los datos geométricos proporcionan una relación entre la sección esquemática del
cauce, datos de la secciones transversales, longitud del tramo, coeficientes de
energía de pérdidas, información de la conexiones de flujos por cada tramo del
cauce y también datos de las estructuras hidráulicas ubicadas a lo largo del tramo
del objeto en estudio, ya sean puentes, caídas hidráulicas, micro presas etc.
55
2.2.2.2 Sistema esquemático del cauce
El esquema es una parte esencial el cual consta de un dibujo donde representa los
tramos conectados y asi puntualizar los extremos de aguas arriba y aguas abajo de
esta forma introducir los datos geométricos de las secciones que conforman el
cauce.
La conectividad de los tramos es de vital importancia ya que debe de realizarse con
el debido orden para que el modelo comprenda el sistema de drenaje y asi realice
los cálculos de un tramo a otro con sus respectivas direcciones de flujo, estas
conexiones son realizadas estableciendo un punto localizado donde uno o más
flujos convergen o se dividen.
Fuente: Manual de Hec Ras (Nestor, 2012)
El Hec Ras incluye en el sistema esquemático los datos geométricos principalmente
las secciones transversales a lo largo del cauce, la secciones transversales son
introducidas mediantes cotas del terreno de diversos puntos esto permite al
programa que mediante dos secciones contiguas, separadas por una distancia
conocida, el modelo calcula la pendiente del tramo. En cuanto al sistema numérico
del Hec Ras tiene que ser preciso ya que asume que los valores altos de las
secciones son aguas arribas y los valores bajos son aguas abajo.
Figura # 7: Sistema esquemático del cauce con ubicación de la obra de cruce
56
2.2.2.3 Secciones transversales del cauce
Las secciones es una representación localizadas a través de una corriente del tramo
donde puede ocurrir un cambio en la descarga, de pendiente, de la forma de la
sección o de la rugosidad del cauce en donde se encuentren estructuras tales como
puentes etc.
Las secciones transversales del cauce son unas de las condiciones geométricas
que necesita el programa para realizar la simulación ya que esta nos permite la
caracterización del flujo en corrientes naturales.
Dichas secciones son especificadas a distancias largas en dependencia de las
características de los perfiles del flujo, involucrando como parte esencial el flujo
central del cauce y las planicies de inundación. Las secciones transversales son
descritas mediante el Hec ras por la estación y la elevación como pares ordenados
de izquierda a derecha en el sentido de aguas abajo formando unas columnas de
datos que es representado en el margen izquierdo la distancia y en el lado derecho,
será la cota del terreno de fondo del cauce.
Según En el programa Hec ras hace consideraciones de las condiciones hidráulicas
para cada sección como: las distancias de los márgenes, las distancias del centro
del cauce con respecto a la sección aguas abajo inmediata tomando en cuenta los
valores del coeficiente de Manning por el método de cowan. El software necesita
conocer os puntos donde ese inicia la planicie de inundación, los cuales permitirán
acotar el canal principal.
2.2.2.4 Secciones transversales con flujo inefectivo Son determinadas como áreas de la sección transversal con elevaciones bajas del
cauce, donde el agua se estanca es decir donde la elevación de la banca es mayor
que el nivel del agua del cauce adyacente. En el Hec Ras la opción de secciones
transversales con flujo inefectivo es usada cuando la superficie del agua está por
debajo de las elevaciones inefectivas que se establecen a la izquierda de la banca
izquierda y las áreas a la derecha de la banca derecha son consideradas inefectivas,
57
si no se aplica correcciones en las alturas de las superficies del agua entonces el
programas las asume que en una porción de la sección existe transporte de agua.
Fuente : Manual del Hec Ras (Nestor, 2012)
2.2.2.5 Coeficientes de contracción y expansión En la modelación del Hec Ras estos coeficientes su importancia radica en
que sirven para determinar las pérdidas de energía entre las secciones
adyacentes.
Las pérdidas de energía entre dos secciones es expresada de la siguiente
manera:
hp: LSf +C [(α2V22/2g)-(α1V12/2g)]
Dónde:
L: Longitud del cauce en peso de la carga.
SF: gradiente hidráulico entre las secciones contiguas.
C: Coeficientes de pérdidas por expansión o contracción.
L= [LBIQBI+LcQC+LBDQBD/QBI+QC+QBD]
Dónde:
LBI,LC, LBD: Longitudes especificas del caudal en el cauce considerando las
banca izquierda, la línea central y la banca derecha.
Figura # 8: Esquema de áreas inefectivas del flujo
58
QBI, QC, QBD: Promedio aritmético de caudales entre las secciones las
secciones contiguas correspondientes a la banca izquierda, la línea central y
la banca derecha del cauce.
El software asume que la contracción ocurre cuando la carga de velocidad es
grande con respecto a la carga de velocidad aguas arriba, por lo contrario asume
una expansión.
Se puede decir que cuando los cambios de sección son pequeños en un cauce los
coeficientes de expansión y de contracción pueden andar por los valores de pueden
andar en el orden 0.1 y 0.3, en el caso en que los cambios sean abruptos los
coeficientes andan por 0.3 y 0.5 como puede ser en los puentes.
Fuente: Manual Hec Ras (Nestor, 2012)
Se puede decir que los coeficientes empíricos contenidos en la el valor máximo
puede ser bajo solo que el flujo sea supercrítico debido a que su carga de velocidad
sea grande y el pequeño cambio en su profundidad puede ocasionar cambios
prolongados en su carga de velocidad. Unos valores próximos para los coeficientes
para la transición gradual en flujo supercrítico el 0.01 para la contracción y para la
expansión son de 0.03.
Tabla 14:Valores de coeficientes de Contracción y expansión
Detalle Contracción Expansión
No hay perdidas en transición 0.0 0.0
transición gradual 0.1 0.3
secciones típicas de puentes 0.3 0.5
transiciones abruptas 0.6 0.8
59
2.2.2.6 Componentes de datos hidráulicos para flujos permanentes
Para la realización de la modelación del cauce se necesitará información de los
caudales que correspondan a los perfiles de flujo a calcular y las condiciones de
contorno para cada tramo correspondiente.
A. Perfiles de flujo en función de los caudales
El software (Hec Ras) está diseñado para evaluar hasta 25000 perfiles de flujo
correspondientes a caudales hidrológicos con diferentes periodos de retorno. El
dato de los caudales ingresados es para cada periodo de retorno desde aguas arriba
hasta aguas abajo.
B. Condiciones de control para perfiles de flujo
Para obtener la correspondiente información de las condiciones de contorno en un
perfil del flujo es necesaria establecerla en cada tramo para indicar los niveles de
agua inicial para cada tramo del cauce aguas arribas y aguas abajo.
Para pendientes pequeñas las condiciones de contorno solo es necesario en el
extremo de aguas abajo del tramo inferior del cauce natural, en pendientes
considerables de régimen supercrítico se necesita el régimen aguas arribas y se
calculara un régimen mixto del cual también tendrá los dos extremos necesarios.
C. Profundidad Normal (Norma Depth)
Este es para condiciones donde el flujo se aproxime al flujo uniforme .para este caso
hay que introducir la pendiente del tramo de influencia, en decimales.
D. Curva del caudal (Rating Curve)
Se refiere a la curva del caudal Cuando existe alguna sección de control con relación
entre el tirante y el caudal.
60
CAPITULO III
61
3. DESCRIPCION DEL PROYECTO
3.1 Macro localización.
La Cuenca Sur del lago de Managua tiene una extensión de 825 Km2 la conforman
los municipios de Ticuantepe, Ciudad Sandino y parte de Mateare, El Crucero,
Tipitapa, Nindiri y La Concepción.
Debido a la diversidad de cuerpos de agua y la necesidad de auxiliar los problemas
de drenajes pluviales en distintos puntos críticos de la capital, se divide la Cuenca
Sur de Managua en Subcuencas, abarcando diferentes distritos, dadas las
características fisiográficas, geológicas y topográficas. El Borbollón es el cauce
principal de la Sub-Cuenca III de la cuenca Sur de Managua.
CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLON
Figura # 9: Macro-localización de la Cuenca del cauce El Borbollón
62
3.2 Micro Localización. La cuenca del Rio Borbollón está localizada en la Subcuenca III de Managua
extendiéndose desde la parte alta de la meseta del Crucero, tomando en cuenta el
municipio de Ticuantepe atravesando los distritos V, VI de la ciudad de Managua,
hasta nuestro punto de cierre localizado en la caja vehicular del Km 12 de la
carretera norte, con coordenadas geográficas de 12°09’5.45” Norte; 86°09’8.57” con
una cota de 53 msnm.
Esta cuenca cuenta con un aproximado de 128.091 Km2. Este cauce drena
prácticamente toda la Subcuenca III.
3.3 Caracterización de área de estudio
3.3.1 Cuenca alta La Subcuenca III tiene drenaje natural de Sur a Norte,
con pendientes pronunciadas en la parte alta, acá se
encuentran los municipios la Concepción, Ticuantepe
y el Crucero obteniendo una elevación variables
Figura # 10: Recorrido por Municipios de Managua y obra de cruce en Carretera Norte del cauce el Borbollón
Figura 11: Parte alta de la Subcuenca III. (Municipio de Ticuantepe).
63
desde 436.111 hasta 935.000 msnm . Cabe destacar que está zona de la
Subcuenca III se caracteriza por ser de origen volcánico.
Entre algunas de las normativas ambientales de rango nacional se debe mencionar
la declaración de área protegida de algunos sitios (Chocoyero, Montibely) que dan
testimonio de la riqueza en biodiversidad de la parte alta de la Subcuenca III con
una forestación densa, que retiene una cantidad importante de sedimentos y brinda
un servicio ambiental de regulación y retención a la cuidad de Managua.
3.3.2 Cuenca media
En la parte media se han consolidado sectores habitacionales que han sustituido a
las quintas y fincas rurales por residencias de mayor densidad y urbanizaciones
dadas a las características geomorfológicas posee un relieve plano ligeramente
ondulado donde se han desarrollado cauce con pendientes bajas, las cuales se
comportan como ríos durante las lluvias intensas y prolongadas. Su relieve varía
entre 236.556 hasta 436.111 msnm.
Al norte de la misma carretera el terreno es plano, con pendientes en el rango de 1
al 10%.Las características del terreno son apreciables fácilmente.
Fuente: (Enacal, 2003)
Figura # 12: Cuenca media del cauce el Borbollón
64
3.3.3 Cuenca baja
En la parte baja en su mayoría el terreno es plano, con pendientes en el rango del
1 al 10 %, con elevaciones desde los 37.000 hasta los 236.556 msnm (Ver la figura).
La zona costera del lago de Managua es considerada la zona más afectada ante
inundaciones ocasionadas por las lluvias torrenciales que provocan las crecidas del
lago afectando las zonas que se encuentran por debajo de la cota máxima de
inundación que es de 43 msnm según ordenanza municipal 07-90.
Por otro lado, la parte baja se caracteriza por un crecimiento popular, parcialmente
planificado y con fuerte presencia de asentamientos espontáneos que no cuentan
con los servicios básicos primarios como calles y alcantarillado. Este crecimiento ha
venido desarrollándose alrededor de los núcleos históricos de los barrios Los
Laureles y Villa Libertad, y se ha incrementado a partir del año 1990
En la cuenca sur de Managua se presentan sustitución de la vegetación original por
los cultivos anuales dispersos, esto han permitido que la erosión forme hondonadas
y cañadas, especialmente en las áreas de pie de monte dando como resultados
elevaciones de (200-450msnm).
3.3.4 Descripción de la caja vehicular
El punto de cierre ubicado en la caja vehicular de Carretera Norte con coordenadas
UTM 592228.32 E; 134345.21 N consta de 3 alcantarillas en forma de caja, sus
dimensiones son de 3.60 m por 2.05 m y tiene una longitud de 26.00 metros la cual
es el ancho de la Carretera Norte.
La caja vehicular se localiza entre el estacionado 0+200 y el 0+180 teniendo una
distancia entre estas secciones de 32 metros los cuales están distribuidos de la
siguiente manera, del estacionando 0+200 hasta el inicio de la caja vehicular se
65
tiene una longitud de 5 metros, 26.00 metros de longitud de caja puente y 1 metro
del final de la caja puente hasta el estacionado 0+180.
Figura # 13: Caja Vehicular Carretera Norte
66
CAPITULO IV
67
4. PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS
4.1 Parámetros Morfométricos de la cuenca
4.1.1 Área y Perímetro La cuenca del Cauce El Borbollón hasta su punto de cierre en la caja vehicular en
carretera norte, con UTM; X=592238.39 Y=1343435.23, posee un área de 128.091
Km2 con un perímetro de 90 Km, estos datos fueron obtenidos mediante el software
ARC GIS, a partir de información dada por INETER. Por su orden de tamaño es
clasificada como una cuenca pequeña ya que la superficie está en el rango entre
los 25 a 250 Km2.
Tabla 15: Área de las Subcuencas del cauce el Borbollón.
SUB CUENCAS Arc Gis (N) Area (Km2)
SC-1 W510 9.235 SC-2 W500 10.034 SC-3 W490 0.602 SC-4 W480 11.977 SC-5 W470 0.126 SC-6 W460 8.859 SC-7 W450 4.762 SC-8 W440 4.490 SC-9 W430 4.670 SC-10 W420 7.053 SC-11 W400 3.872 SC-12 W410 3.583 SC-13 W390 0.498 SC-14 W380 0.079 SC-15 W370 4.315 SC-16 W360 0.790 SC-17 W350 9.274 SC-18 W340 6.271 SC-19 W330 8.336 SC-20 W320 7.912 SC-21 W300 3.708 SC-22 W290 3.778 SC-23 W280 4.063 SC-24 W270 9.804
TOTAL 128.091
68
4.1.2 Forma de la cuenca
A. Índice de alargamiento (Ia)
Esta relación nos indica que la cuenca del cauce “El Borbollón” está en capacidad
de absorber altas precipitaciones sin generar crecidas de grandes proporciones,
cabe destacar que al ser de clasificación moderadamente alargada, la escorrentía
se transitara con mayor tiempo de concentración.
B. Índice de compacidad (Kc)
2.23
Según los resultados obtenidos, se considera la cuenca de forma alargada, como
no converge a la unidad los volúmenes de agua son de menor cantidad. Cabe
destacar que aunque tenga volúmenes menores, al poseer cambios abruptos de las
pendientes en la parte alta con respecto a la parte baja y variaciones considerables
en el uso de suelo, las afectaciones suelen ser considerables en zonas de la cuenca.
C. Coeficiente de forma
Tabla 16:Clases de valores según su alargamiento
Rangos de Ia Clases de alargamiento
2.9 - 4.2 Moderadamente alargada
Tabla 17:Clases de valores según su Compacidad
Rangos de Kc Clases de compacidad
1.50 – 1.75 De oval oblonga a rectangular oblonga
Tabla 18:Clases de valores según su forma
Rangos de Kf
Clasificación según su forma
0.01 - 0.18 Muy poco Achatada
69
Según el valor obtenido y la clasificación dada se considera que la cuenca es muy
poco achatada. Por tanto esta menos sujeta a crecientes y afecta a las
características de escurrimiento de la cuenca. (0.01 < 0.117 > 0.12).
Cabe destacar que en el caso de la cuenca del cauce “El Borbollón”, el valor
calculado para la elongación es probablemente un valor medio que parece estar
cubierto por dos situaciones distintas.
En la parte alta, la cuenca tiende a tener una forma redondeada, mientras que la
parte media y baja tiende a presentar mayor elongación, en otras palabras, es un
valor bajo para toda la cuenca pero si se observa con detalle tiende a ser menor en
la parte alta y su valor se incrementa en la parte media y baja, cuando la cuenca
empieza a presentar mayor alargamiento
4.1.3 Drenaje de la cuenca
A. Densidad de drenaje
Para un valor bajo de densidad corresponden volúmenes de escurrimiento no muy
altos, se puede considerar que valores próximos o máximos a 0.5 Km/Km2 indican
eficiencia en la red de drenaje.
De esta manera, se refleja un bajo escurrimiento de la cuenca; en consecuencia a
ello, su magnitud está indirectamente relacionada con la infiltración, y obviamente
con la litología y la cobertura vegetal. En otras palabras, puede afirmarse que
terrenos permeables se caracterizan por baja densidad de drenaje.
Tabla 19:Clases de valores según su capacidad de drenaje
Rangos de Densidad(Km)
Clasificación según su densidad
0.1 - 1.8 Baja
70
4.1.4 Relieve de la cuenca
A. Curva de área de Frecuencia
B. Longitud de cauce principal
El cauce principal hasta el punto de cierre
ubicado en la carretera norte posee una
longitud de 33.047 Km.
Según la clasificación dada la longitud de cauce principal se considera larga ya que
sobrepasa el límite.15.1 Km < 19.1 Km < 33.047 Km
Al presentarse que la longitud de cauce principal entra en un rango considerado
como largo supone mayores tiempos de desplazamiento de las crecidas.
Tabla 20: Clases de valores según longitud de cauce principal.
Rangos de Lc
Clasificación según longitud
15.19 - 19.1 Largo
Gráfico 1: Distribución de área de frecuencia
71
C. Pendiente de la cuenca
A través de la herramienta Idrisi Selva se determinó este parámetro, dando como
resultado una pendiente media del 24.40 %.
D. Pendiente del cauce principal
Este parámetro varia durante el recorrido del cauce principal dando como resultado
un promedio del 3.06° equivalentes al 5.34%; por tanto se clasifica como una
pendiente entre los limites suave y moderada.
Al determinarse que la pendiente del cauce se localiza entre los límites de suave a
moderada nos indica que las aguas que circulan por esta cuenca no están siendo
sometidas a grandes velocidades.
Tabla 21:Clases de valores según Pendiente de cauce principal
Rangos de pendiente
Clases de Pendiente
0.01-0.05 Suave
0.06-0.11 Moderada
Figura # 14: Perfil del cauce del Rio “El Borbollón”
72
E. Curva Hipsométrica
4.1.5 Elevación promedio de la cuenca
A. Elevación media La elevación media de la cuenca es de 462.25 en metros sobre el nivel del mar
(msnm) por tanto está muy bajo ya que su clase de desnivel altitudinal aún no se
considera dentro del rango de lo especificado. (462.25 msnm < 600msnm < 1220
msnm). Elevación de la Cuenca
Altitud Inicial: 858 msnm
Altitud mínima: 35 msnm
Cauce Principal Máxima altitud : 725 msnm
Tabla 22:Clases de valores según Pendiente de cauce principal
Rangos de elevación en msnm
Clases de elevación
600 - 1220 Bajo
Figura # 15: Curva hipsométrica del cauce " El Borbollón"
73
Tabla 23:Resumen de los parámetros Morfométricos calculados a través de herramienta
Idrisi Selva
Parámetros Morfométricos Unidad Registro Simbología Cuenca Hidrográfica - 1.00 Borboll_
Superficie de Cuenca Km2 128.091 A_km2
Perímetro de Cuenca Km 90.00 P_km
Elevación media msnm 462.25 Em_m
Pendiente Media % 24.40 Pm_p
Índice de Compacidad - 2.23 Kc
Coeficiente de Forma - 0.117 Rci
Longitud del rio del eje principal - 33.047 Lc_km
Altitud inicial - 858.00 Emx_m
Altitud media msnm 37.00 Emn_m
Pendiente Promedio del rio principal ° 3.06 Sc_p
Tiempo de concentración Kirpich - 4.83 Tc_Kirpich_h
4.2 Estudio Hidrológico
4.2.1 Determinación de las precipitaciones a través del método de Gumbel y
Bloques Alternos
El estudio hidrológico permite determinar, bajo ciertos criterios, la probabilidad de
ocurrencia de avenidas de una cierta magnitud, dependiendo de las características
Morfométricos de la cuenca asi como de los datos de precipitación brindada.
Utilizando el método de Gumbel y a partir de los datos proporcionados por INETER
se determinaron las intensidades de lluvia (mm/h) para 5, 10, 15, 30, 60 y 120
minutos, con periodos de retorno de 25, 50 y 100 años respectivamente y se logró
elaborar las curvas Intensidad-Frecuencia-Duración (IDF).Posteriormente al utilizar
74
el método de Bloques Alternos se determinaron las profundidades de precipitación
en ciertos intervalos de tiempo formando asi los hietogramas para cada periodo de
retorno.
7.7813.14
18.81
40.22
21.39
13.8911.36
0.93
15 30 45 60 75 90 105 120
HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 25 AÑOS
5.000
20.48825.021
43.740
19.44313.807 12.500
5.429
15 30 45 60 75 90 105 120
HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 50 AÑOS
Gráfico 2: Hietograma para periodo de retorno de 25 años.
Gráfico 3: Hietograma para periodo de retorno de 50 años.
75
Hietogramas de diseños elaborados para periodos de retorno de 25, 50 y 100 años
en 2 horas con intervalos de 15 minutos, desarrollado para la cuenca del cauce “El
Borbollón” utilizando el método de los bloques alternos.
4.2.2 Método de tránsito de avenidas con la variante de Muskingum con herramienta Hec–Hms 3.4
9.00013.880
26.632
47.232
30.248
17.00811.750
7.452
15 30 45 60 75 90 105 120
HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 100 AÑOS
Gráfico 4: Hietograma para periodo de retorno de 100 años
Figura # 16: Esquema de cuenca del cauce “El Borbollón” en Hec-Hms 3.4.
76
Tabla 24:Parámetros de tránsito para cauce “El Borbollón”
Transito Puntos de Control
Longitud de
tránsito (m)
Tiempo de Concentración
(min) V cuenca (m/min)
Vtransito (m/min)
K (Hr)
X (0.2-0.5)
1 PC-1 A PC-2 907.11 34.19 26.53 52.03 0.29 0.20 2 PC-2 A PC-3 501.42 21.39 23.45 35.22 0.24 0.20 3 PC-3 A PC- 5 3897.89 94.60 41.20 45.70 1.42 0.20 4 PC-4 A PC-5 1235.98 42.60 29.01 38.15 0.54 0.20 5 PC-5 A PC-7 739.41 27.78 26.61 36.82 0.33 0.20 6 PC-6 A PC-7 437.99 14.75 29.70 26.52 0.28 0.20 7 PC-7 A PC-8 804.26 33.87 23.75 29.03 0.46 0.20 8 PC-8 A PC-9 4425.34 111.18 39.80 30.13 2.45 0.20 9 PC-9 A PC-10 3161.90 95.63 33.06 36.36 1.45 0.20 10 PC-10 A PC-11 491.13 46.49 10.56 34.55 0.24 0.20 11 PC-11 A PC-12 4839.90 129.42 37.40 23.98 3.36 0.20 12 PC-12 A CAJA 6987.30 216.47 32.28 29.29 3.98 0.20
Habiendo determinado los parámetros de tránsito especificado en la tabla anterior.
Sé transfirió, al modelo creado en Hec-Hms, los datos obtenidos anteriormente para
determinar los hidrógramas sintéticos para cada subcuenca, así como los
hidrógramas transitados en los puntos de control. Cabe destacar que el orden lógico
para el tránsito de avenidas se realizó desde aguas arriba hasta el punto de cierre
en la caja vehicular, señalando cada uno de los caudales en los puntos de control
dependiendo exclusivamente del tiempo de retorno seleccionado.
Debido a la cantidad de sub cuencas que posee la red de drenaje del cauce el
borbollón se detallara solamente el Hidrógrama transitado desde el punto de control
número 12 hasta la caja vehicular para determinar el caudal máximo que se
traspone a la obra de cruce.
77
Caudal máximo probable a partir de Tr= 25 años.
En el grafico observa que el caudal máximo que llegara a la caja vehicular es de
207.93 m3/s. Destacando los hidrógramas resultantes del tránsito desde el punto de
control 12 a la caja vehicular (línea punteada en azul más continua), así como el
Hidrógrama sintético de la sub cuenca 24 (W270) la cual es el más cercano al punto
de cierre. Así mismo se determinaron los caudales para periodos de retorno de 50
y 100 años.
Caudal máximo probable a partir de Tr =50 años
Q= 207.93 m3/s
Q= 252.31 m3/s
Gráfico 5: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr= 25 años
Gráfico 6: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr = 50 años
78
Caudal máximo probable a partir de Tr = 100 años
Caudal máximo originado por Huracán Cesar Asi mismo se calculó a través de la herramienta Hec-Hms el caudal máximo
probable que se originó en la cuenca el borbollón en el año 1996 cuando se dio en
Nicaragua el Huracán Cesar, cabe destacar que los datos de precipitación fueron
brindados por INETER en intervalos de cada hora durante el periodo que duro la
tormenta.
Q= 298.48 m3/s
Q= 224.17 m3/s
Gráfico 7: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr = 100 años
Gráfico 8: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular a partir del Huracán Cesar
79
Caudal máximo originado por Huracán Mitch
4.2 Modelación Hidráulica
4.3.1 Modelación de la caja puente del cauce el Borbollón Mediante el Hec –Ras
Para llevar a cabo la modelización de la obra de cruce del cauce el Borbollón
mediante el software el Hec –Ras se ingresaron al programa los datos geométricos
de las secciones transversales, y los datos de flujos en el cauce desde aguas arribas
hacia aguas abajo.
Además se evaluó la condiciones de flujos para los periodos de retorno de 25, 50
y 100 años, asi mismo para eventos de huracanes de gran envergadura como fue
el huracán Cesar y el huracán Mitch. Se especificó la condición de flujo subcritico
el cual se necesita definir las condiciones de contorno aguas abajo.
Cabe destacar que los datos geométricos fueron proporcionados por la alcaldía (Ver
anexos el plano del levantamiento topográfico, secciones transversales).
Después de haber definido lo antes mencionado se procede a describir el desarrollo
del modelo hidráulico:
Q= 199.8 m3/s
Gráfico 9: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular a partir del Huracán Mitch
80
Ingreso de datos geométricos
Se introdujo un esquema similar del cauce el Borbollón para realizar la simulación
hidráulica de la caja puente, en la cual se describieron 300 metros aguas arriba y
200 metros aguas abajo asi como la localización de la caja vehicular. A su vez se
ingresaron al sistema cada una de las secciones transversales por estacionado
tomando en cuenta la información topográfica brindada por la Alcaldía de Managua.
FIGURA # 17: Detalle de Sección Transversal de Estación 0+500
Al mostrarse las elevaciones de los puntos principales que conforman la sección
transversal del cauce, correspondiente a su geometría, que son definidos por el
levantamiento topográfico se detallan las siguientes características:
El Downtream Reach lengths (LOB, CHANNEL, ROB) que se muestra en la (Figura
#14) se refieren a las distancias del margen izquierdo y derecho y la distancia a lo
largo del eje del cauce en las cuales se encuentran a cada 20 metros
aproximadamente.
El Manning´s n valúes se propone en dependencia de muchos factores los cuales
pueden ser: irregularidades de superficie, vegetación del canal, la alineación del
canal, las obstrucciones, el tamaño y la forma del canal, etapa y la descarga, los
cambios estacionales, y el material suspendido. En este caso se clasifica en: un
rango máximo de 0.033 con referencias a cauces naturales de tipo. En la tabla de
81
Main cannel bank station indican la sección natural del cauce, es decir delimita los
lugares efectivos del cauce.
En el caso de los coeficiente de contracción y expansión el software toma por
defecto los valores de 0.1 para contracción y 0.3 para el coeficiente de expansión
esos valores están vinculados con la perdida de energía durante el viaje de la onda
del flujo dada entre las dos secciones.
Datos para condiciones de flujo Se evaluó el comportamiento del flujo a partir de los caudales obtenidos para
periodos de retorno de 25, 50 y 100 años asi como para los huracanes Cesar y Mitch
realizándose el análisis del flujo para condiciones mixtas en el extremo aguas abajo
(Downstream) se consideró un régimen supercrítico, y en condiciones aguas arribas
(Upstream) En la figura se observan los valores que se ingresaron para este
contorno del flujo. Es importante destacar los valores S que corresponden a la
pendiente del primer tramo aguas arriba y último tramo aguas abajo del cauce.
FIGURA # 18: Condiciones de Contorno
El valor de pendiente de la sección aguas abajo (Downstream) y aguas arriba (
Upstream) se estimó conociendo las cotas mínimas de las secciones en el fondo de
cauce y la distancia entre los tramos, en este caso la distancia entre secciones
correspondían a 20 metros.
82
Pendiente para primer tramo aguas arriba:
Pendiente para último tramo aguas abajo:
Una vez determinadas las pendientes se procedió a introducir para cada una de las
secciones transversales los datos de caudal obtenidos anteriormente en el estudio
hidrológico.
FIGURA # 19: Datos de caudales de diseño para evaluación de caja vehicular
83
Evaluación de condiciones hidráulicas de caja vehicular
Una vez ingresado los datos geométricos y las condiciones de flujo se ejecutó la
simulación hidráulica de la caja vehicular y del cauce el Borbollón durante los
periodos de retorno de 25, 50 y 100 años así como para los huracanes Mitch y
Cesar.
FIGURA # 20: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr
= 25 años
FIGURA # 21: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo Tr= 25 años
84
FIGURA # 23: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo Tr= 50 años
FIGURA # 22: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr= 50 años
85
FIGURA # 24: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr=100 años
FIGURA # 25: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo Tr= 100 años
86
FIGURA # 26: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo para Huracán Cesar.
FIGURA # 27: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo para Huracán Cesar.
87
FIGURA # 28: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo para Huracán Mitch.
FIGURA # 29: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo para Huracán Mitch.
88
CAPITULO V
89
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
De acuerdo a los objetivos y metodología planteada en el estudio se tienen las
siguientes conclusiones:
Durante el estudio hidrológico utilizando la herramienta ArcGIS se obtuvieron un
total de 24 micro-cuencas para la cuenca hidrográfica del cauce el Borbollón con su
punto de cierre en la caja vehicular, de tal manera que cada una de estas con
respecto a su área se encuentra aproximadamente en un rango de 0.2 a 12 km2,
siendo la micro-cuenca W480 (Sub Cuenca 4) la que posee mayor área con 11.977
Km2 y la de menor área es la micro-cuenca W380 (Sub Cuenca 14) con 0.079 Km2.
Una vez realizada esta distribución se determinaron los parámetros morfométricos
para la cuenca en general entre los cuales se tienen perimetro, área, elevaciones,
pendientes, longitud del cauce principal, índice de alargamiento, coeficiente de
forma, densidad de drenaje y distribución de área de frecuencia.
A partir del de los parámetros morfométricos y distribución antes señalada de la
cuenca se determinaron los caudales correspondientes, utilizando el método
tránsito de avenidas con la variante de Muskingum a través de la herramienta Hec-
Hms 3.4 y el ajuste de las curvas IDF aplicando el Método de Gumbel y Bloques
alternos para periodos de retorno de 25, 50, y 100 años obteniendo como resultado
los caudales de 207.93 m3/s, 252.31 m3/s, 298.48 m3/s.
Como parte de la estimación de caudales se obtuvo que para un periodo de retorno
de 25 años la subcuenca que más aporta a la red de drenaje de la cuenca del cauce
el borbollón es la W480 (Sub Cuenca 4) con un aporte de 101.5 m3/s, de igual
manera para los periodos de retorno de 50 y 100 años dando un aporte de 119.4
m3/s y 142.2 m3/s.
90
Al ingresar los datos de precipitación brindados por INETER de los huracanes Mitch
y Cesar se determinaron los caudales reales drenados dando como resultado
caudales de 199.8 m3/s y 224.17 m3/s.
Con respecto a la evaluación hidráulica de la caja vehicular se obtiene que a partir
de los caudales determinados en el estudio hidrológico, está trabajando de forma
inadecuada ya que el nivel de agua, para los caudales de los periodos de retorno
de 25, 50 y 100 años y los huracanes Mitch y Cesar, sobrepasan los niveles de la
rasante de la carretera llegando a los siguientes niveles:
Para un periodo de retorno de 25 años el nivel de agua en la sección donde se
encuentra la caja vehicular es de 103.51 m aguas arriba y de 103.14 aguas abajo,
para 50 y 100 años es de 104.13 m, 103.82 m y 104.74 m, 104.48m. Para los
huracanes Mitch y Cesar se determinaron los niveles de igual forma dando como
resultado 103.39 m, 103.01 m y 103.74 m, 103.39 m.
91
5.2 RECOMENDACIONES Dado al estudio previo realizado se recomienda lo siguiente:
Se sugiere hacer énfasis en las medidas preventivas antes que en las correctivas,
las cuales deben de estar tomado en cuenta sobre todo en la cuenca alta del cauce
el borbollón ya que se tiene que considerar crear un manejo integral de cuenca por
parte de las autoridades para reducir el cambio brusco del uso de suelo en esta
zona.
Es de vital importancia para estudios futuros realizar estudios de mitigación para
resolver problemáticas de arrastres de sedimentos que se producen en el sector
aguas arriba de la caja vehicular, que propicia el desarrollo de desborde a lo largo
del cauce, los cuales no fueron tomados en cuenta en este estudio por motivos de
tiempo y aportes económicos para la realización de pruebas de suelo.
Este trabajo es considerando un estudio posterior para mejorar el sistema de
drenaje pluvial por tanto no tiene que ser tomado como una crítica destructiva al
funcionamiento de la red de drenaje de la ciudad de Managua sino como un aporte
a los diseños de obras de drenaje pluvial ya que se deben de realizar obras viales
con capacidad hidráulica óptimas para drenar aguas productos de las escorrentías.
.
92
CAPITULO VI
93
5.1 BIBLIOGRAFIA ALMA. (2008). Actualizacion del estudio de drenaje pluvial de la Sub-cuenca III de
la cuenca sur del lago de Managua. Araya, Marvin Villalobos. (2005). Diseño de drenaje superficial. Editorial
Tecnologica de Costa Rica. CORASCO. (2008). Manual para la revision de estudios hidrotecnicos de drenaje
menor. Chow, Vente. (1994 ). Hidrologia aplicada Enacal. (2003). Estudio Agroecológico y Drenaje Pluvial de la subcuenca sur III. Gómez, Cajia y Asociados S.A. (2005). Informe de geologia de la ciudad de
Managua Linsley, R.K., Kohler, M.A., & Paulhus, J.L.H. (1988). Hidrología para ingenieros:
McGraw-Hill. Montserrat, J. (1985). Forma de una cuenca de drenaje. Análisis de las variables
morfométricos que nos la definen. Revista de Geografía Barcelona, pp. 41-68., vol. XIX.
ALMA.. (2008). Actualizacion del estudio de drenaje pluvial de la Subcuenca III de
la cuenca sur del lago de Managua. Alcaldia de Managua. Mejía, Nestor Javier Lanzas. (2011). Hidráulica Canales Abiertos Flujo Uniforme
Tablas Y graficos Nestor, Lanzas Mejia. (2012). Manual del Hec Ras Román, Javier Sánchez San. (2013). Transito de avenidas Dpto Geologia
Salamanca España. Sheng, T.C. (1992). Manual de campo para la ordenación de cuencas
hidrográficas: estudio y planificación de cuencas hidrográficas: FAO. Strahler, Arthur Newell. (1957) Orden de las corrientes. Llamas, J. (1993). Hidrología general. Universidad del Estado de México. Toluca.
México: 627 pp.
94
CAPITULO VII
95
5.2 ANEXOS
Anexo de Tabla 1: Periodos de retorno recomendados para el diseño de obras hidráulicas.
OBRA HIDRAULICA PERIODO DE RETORNO (AÑOS ) Caja vehicular o alcantarillas 25 Cauces principales naturales o artificiales 50 a 100
Cauces secundarios naturales o artificiales 10
cauces secundarios naturales ,en el caso de exceder caudal de 10 m3 /s 25
Micro presa 50 a 100 drenajes longitudinales cunetas y contra cunetas 5 a 10
Anexo de Tabla 2: valores estadísticos del método Gumbel
VALORES DE Y: MEDIA, DESV. ESTANDAR, ALFA Y BETA PARA DIFERENTES DURACIONES
5 10 15 30 60 120 Y MEDIA 157.893 128.917 107.805 76.840 51.367 29.986
STD. 38.875 24.889 22.921 20.029 18.542 14.583 N 42 42 42 42 42 42 sy 1.146 1.146 1.146 1.146 1.146 1.146 my 0.545 0.545 0.545 0.545 0.545 0.545
ALFA 0.029 0.046 0.050 0.057 0.062 0.079 BETA 139.409 117.082 96.906 67.317 42.550 23.052
96
Anexo de Tabla 3: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 5 min
Gumbel 5 min T Precipitación Prob(Pmax<=x) 2 151.844 0.500 5 190.299 0.800
10 215.760 0.900 25 247.929 0.960 50 271.795 0.980
100 295.484 0.990 200 319.086 0.995 500 350.225 0.998
Anexo de Tabla 4: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 10min
Gumbel 10 min T Precipitación Prob(Pmax<=x)
2 125.044 0.500 5 149.664 0.800
10 165.965 0.900 25 186.561 0.960 50 201.841 0.980
100 217.007 0.990 200 232.118 0.995 500 252.055 0.998
Anexo de Tabla 5: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 15 min
Gumbel 15 min T Precipitación Prob (Pmax<=x)
2 104.238 0.500 5 126.912 0.800
10 141.923 0.900 25 160.891 0.960 50 174.962 0.980
100 188.929 0.990 200 202.845 0.995 500 221.205 0.998
97
Anexo de Tabla 6: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 30 min
Gumbel 30 min T Precipitación Prob(Pmax<=x)
2 73.724 0.500 5 93.536 0.800
10 106.654 0.900 25 123.228 0.960 50 135.523 0.980
100 147.728 0.990 200 159.888 0.995 500 175.931 0.998
Anexo de Tabla 7: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 60 min
Gumbel 60 min T Precipitación Prob(Pmax<=x)
2 48.482 0.500 5 66.823 0.800
10 78.967 0.900 25 94.311 0.960 50 105.693 0.980
100 116.992 0.990 200 128.250 0.995 500 143.102 0.998
Anexo de Tabla 8: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 120 min
Gumbel 120 min T Precipitación Prob(Pmax<=x)
2 27.717 0.500 5 42.142 0.800
10 51.694 0.900 25 63.762 0.960 50 72.714 0.980
100 81.601 0.990 200 90.455 0.995 500 102.137 0.998
98
Anexo de Tabla 9: Tiempo de retorno de 50 años con el método de bloques alternos
Tiempo de retorno de 50 años Tmin Imm/h P
0 0 0 15 174.967 43.740 30 135.523 33.881 45 117.00 26.423 60 105.693 105.943 75 96.000 24.000 90 88.000 22.000
105 80.000 20.000 120 72.714 18.179
Anexo de Tabla 10: Tiempo de retorno de 100 años con el método de bloques alternos
Tiempo de retorno de 100 años Tmin Imm/h P
0 0 0 15 188.929 47.232 30 147.728 36.932 45 130.000 29.248 60 116.992 117.242 75 108.000 27.000 90 96.000 24.000
105 89.000 22.250 120 81.601 20.400
99
Anexo de Tabla 11: Curvas Intensidad - Frecuencia - Duración
Fuente: IDF Ajustadas a partir de datos de precipitación brindados por Ineter.
100
Anexo Figura # 1: Hidrograma del PC-1 para Tc 25 Años
Anexo Figura # 2: Hidrograma del PC-2 para Tc 25 Años
Anexo Figura # 4: Hidrograma del PC-4 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 3: Hidrograma del PC-3 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 6: Hidrograma del PC-5 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 5: Hidrograma del PC-6 para Tc de 25 Años
101
Anexo Figura # 7: Hidrograma del PC-7 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 8: Hidrograma del PC-8 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 9: Hidrograma del PC-9 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 10: Hidrograma del PC-10 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 12: Hidrograma del PC-12 para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 11: Hidrograma del PC-11 para Tc de 25 Años
102
Anexo Figura # 13: Hidrograma del PC-1 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 14: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Tc de 25 Años
Anexo Figura # 16: Hidrograma del PC-2 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 15: Hidrograma del PC-2 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 18: Hidrograma del PC-5 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 17: Hidrograma del PC-4 para Tc de 50 Años
103
Anexo Figura # 19: Hidrograma del PC-7 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 20: Hidrograma del PC-6 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 21: Hidrograma del PC-9 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 22: Hidrograma del PC-8 para Tc de 50 Años
Anexo Figura # 23: Hidrograma del PC-11 para Tc de 50 Años Anexo Figura # 24: Hidrograma del
PC-10 para Tc de 50 Años
104
Anexo Figura # 25: Hidrograma del PC-caja Vehicular para Tc de 50
Anexo Figura # 26: Hidrograma del PC-12 para Tc 50 Años
Anexo Figura # 28: Hidrograma del PC-1 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 27: Hidrograma del PC-1 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 29: Hidrograma del PC-4 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 30: Hidrograma del PC-3 para Tc de 100 Años
105
Anexo Figura # 31: Hidrograma del PC-5 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 32: Hidrograma del PC-6 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 34: Hidrograma del PC-7 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 33: Hidrograma del PC-8 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 36: Hidrograma del PC-10 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 35: Hidrograma del PC-9 para Tc de 100 Años
106
Anexo Figura # 38: Hidrograma del PC-12 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 37: Hidrograma delPC-11 para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 39: Hidrograma del PC-1 para el Huracán Cesar
Anexo Figura # 40: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Tc de 100 Años
Anexo Figura # 41: Hidrograma del PC-3 para Húracan Cesar
Anexo Figura # 42: Hidrograma del PC-2 para Húracan Cesar
107
Anexo Figura # 43: Hidrograma del PC-5 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 44: Hidrograma del PC-4 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 45: Hidrograma del PC-7 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 46: Hidrograma del PC-6 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 47: Hidrograma del PC-8 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 48: Hidrograma del PC-9 para Huracán Cesar
108
Anexo Figura # 50: Hidrograma del PC-11 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 49: Hidrograma del PC-10 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 54: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Huracán
Anexo Figura # 51: Hidrograma del PC-1 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 53: Hidrograma del PC-12 para Huracán Cesar
Anexo Figura # 52: Hidrograma del PC-2 para Huracán Cesar
109
Anexo Figura # 55: Hidrograma del PC-4 para Húracan Cesar
Anexo Figura # 56: Hidrograma del PC-3 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 58: Hidrograma del PC-6 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 57: Hidrograma del PC-5 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 59: Hidrograma del PC-8 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 60: Hidrograma del PC-7 para Huracán Mitch
110
Anexo Figura # 61: Hidrograma del PC-9 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 62: Hidrograma del PC-10 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 64: Hidrograma del PC-12 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 63: Hidrograma del PC-11 para Huracán Mitch
Anexo Figura # 65: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Huracán Mitch
111
Anexo Figura # 66: Caja Vehicular de Carretera Norte aguas abajo
Anexo Figura # 67: Tramo aguas abajo del cauce el Borbollón
Anexo Figura # 69: Carretera Norte (Caja Puente)
Anexo Figura # 68: Caja Vehicular
Anexo Figura # 71: Tramo aguas arriba del cauce el Borbollón
Anexo Figura # 70: Condiciones Actuales de la Caja Vehicular
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