Estudio Hidrotecnico Del Puente Ostaya.docx

Universidad de Ciencias Comerciales UCC Facultad de Ingeniería Civil

HIDROTECNIA VIAL

Estudio Hidrotécnico del puente Ostaya Elaborado por: Gabriel Ernesto Avilés Torres. Corsinio de Jesús Garcia Chamorro. Harvi Antonio González Martínez. Martin Enrique Vanegas Santana.

Docente: MSC. NESTOR LANZA

07 de Octubre de 2017

Contenido I.

Introducción...................................................................................................... 1

II.

Objetivos .......................................................................................................... 2 2.1. Objetivo General ........................................................................................ 2 2.2. Objetivo específico. .................................................................................... 2

III.

Marco Teórico................................................................................................ 3

3.1. Análisis hidrológico de la cuenca ............................................................... 3 3.1.1.

Morfología cuenca .................................................................................. 3

3.1.1.1. 3.1.1.1.1. 3.1.1.2.

Parámetros Físicos........................................................................... 3 Área (A) ......................................................................................... 3 Parámetros según su forma ............................................................. 4

3.1.1.2.1.

Índice de compacidad (coeficiente de Gravelius) .......................... 4

3.1.1.2.2.

Coeficiente de forma. (Kf).............................................................. 5

3.1.1.2.3.

COEFICIENTE DE MASIVIDAD (KM) ........................................... 5

3.1.1.3.

Parámetros según su relieve ............................................................ 6

3.1.1.3.1.

Pendiente de la cuenca ................................................................. 6

3.1.1.3.2.

Pendiente del cauce principal ....................................................... 6

3.1.1.3.3.

Curva Hipsométrica ....................................................................... 7

3.1.1.3.4.

Elevación promedio de la cuenca ................................................. 7

3.1.1.3.5.

Longitud del cauce (Lc) ................................................................. 8

3.1.1.4.

Otros parámetros ............................................................................. 9

3.1.1.4.1.

Tiempo de Concentración (tc) ....................................................... 9

3.1.1.4.2.

Sinuosidad de la Corriente ............................................................ 9

3.2. Parámetros hidrológicos........................................................................... 10 3.2.1. Precipitación ...................................................................................... 10

3.2.2. Hietograma de precipitación de diseño utilizando el método de bloques alternos. ............................................................................................ 10 3.2.3. Método SCS para Abstracciones ...................................................... 11 3.2.4. Método de transformación de lluvia a escorrentía ............................. 14 3.2.4.1.

Hidrograma unitario del SCS .......................................................... 14

3.2.5. Tránsito de Avenidas ......................................................................... 16 3.2.5.1.

Parámetros del transito .................................................................. 19

3.3. Análisis Hidráulico. ................................................................................... 21 3.3.1. Tipos de flujos.................................................................................... 22 3.3.2. Parámetros hidráulicos para el diseño de un puente. ........................ 24 3.3.2.1.

Perfil de flujo ................................................................................... 24

3.3.2.2.

Socavación ..................................................................................... 24

3.3.3. Cálculos hidráulicos de un puente ..................................................... 25 3.3.3.1.

Cálculo de niveles de agua ............................................................ 25

3.3.3.2.

Estimación de la socavación. ......................................................... 26

3.3.3.2.1.

Socavación general ..................................................................... 27

3.3.3.2.2.

Socavación en contracción ......................................................... 28

3.3.3.2.3.

Socavación local. ........................................................................ 28

3.3.3.2.3.1. Socavación local en pilas en pilas............................................. 28 3.3.3.2.3.2. Socavación local en los estribos ............................................... 29 IV.

Análisis de resultados .................................................................................. 31

4.1. Localización del área de estudio .............................................................. 31 4.1.1. Macro localización ............................................................................. 31 4.1.2. Micro Localización ............................................................................. 32 4.2. Delimitación de la cuenca ........................................................................ 32

4.3. Parámetros Morfométricos ....................................................................... 34 4.4. Estudio hidrológico de la cuenca .............................................................. 39 4.4.1. Delimitación de la Cuenca ................................................................. 39 4.4.2. Hietograma de Diseño ....................................................................... 41 4.4.3. Curva Numero del SCS ..................................................................... 46 4.4.3.1.

Uso de Suelo .................................................................................. 46

4.4.3.2.

Tipo de Suelo ................................................................................. 48

4.5. Método de transformación de lluvia a escorrentía .................................... 53 4.6.

Tránsito de Avenida ........................................................................... 54

4.7. Calculo de los caudales ........................................................................... 55 4.8. Análisis Hidráulico .................................................................................... 61 4.8.1. Topografía ......................................................................................... 61 4.8.2. Características Hidráulicas del puente .............................................. 63 4.8.3. Cálculos hidráulicos ........................................................................... 63 4.8.3.1.

Obtención del coeficiente de Manning............................................ 63

4.8.3.2.

Resultados del análisis hidráulico .................................................. 64

4.8.3.3.

Borde libre ...................................................................................... 66

4.8.3.4.

Capacidad del puente..................................................................... 68

4.8.3.4.1.

Caudal mínimo ............................................................................ 68

4.8.3.4.2.

Caudal de diseño ........................................................................ 69

4.8.3.4.3.

Caudal máximo ........................................................................... 70

4.8.3.5.

Vista en 3D del cauce en HEC-RAS .................................................. 70

4.8.3.6.

Resultados del análisis de socavación en puente ............................. 71

4.8.3.6.1.

Caudal de Diseño ........................................................................ 71

4.8.3.6.2.

Caudal máximo ........................................................................... 73

V.

Conclusiones.................................................................................................. 74

VI.

Bibliografía................................................................................................... 75

VII.

Anexos ........................................................................................................ 76 Anexo N°1: Análisis Granulométrico .............................................................. 76 Anexo N°2: ficha técnica puente Ostaya ........................................................ 77

I.

Introducción

Para poder diseñar un

puente es necesario

investigar sobre el origen y la

magnitud de los caudales que llegaran a la estructura, para ello es necesaria la ejecución de un análisis hidrológico de la cuenca, con el fin de establecer una relación entre las características físicas de las cuencas, los factores de las lluvias y su comportamiento. El caudal máximo probable de diseño obtenido permitirá proyectar la obra hidráulica, en este caso un puente que unirá de manera segura ambas márgenes del río. Este cuenca posee un área de 27.46 km2. La elaboración del análisis hidráulico del puente tiene como finalidad determinar las dimensiones de las estructuras hidráulica en

el sitios analizado, teniendo

como criterio el poder transportar la crecida de diseño de 50 años de periodo de retorno con un borde libre que permita evacuar materiales en suspensión como ramas y hasta árboles que se arrastran durante las crecidas El trabajo de investigación propuesto, estará basado en la elaboración del estudio hidrotécnico del puente del rio Ostaya, ubicado en el departamento de Rivas, en el tramo de carretera situado sobre la ruta troncal principal que va destino hacia el Puesto Fronterizo con Costa Rica, Peñas Blancas, proviniendo de Rivas.

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II.

Objetivos

2.1.

Objetivo General

 Elaborar el estudio hidrotécnico de la obra de drenaje transversal, el puente ubicado en el rio Ostaya.

2.2.

Objetivo específico.



Calcular los parámetros morfométricos de la cuenca del rio Ostaya, mediante la utilización del Software ArcGIS e Idrisi Selva.



Realizar el análisis hidrológico de la cuenca del rio Ostaya, mediante el uso del Software HEC-HMS.



Realizar el análisis hidráulico de la obra de cruce en el rio Ostaya, mediante el uso del Software HEC-RAS.

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Página 2

III.

Marco Teórico

3.1.

Análisis hidrológico de la cuenca

Uno de los factores hidrológicos que inciden en el diseño hidráulico de obras de drenaje. Se refiere al tamaño de la cuenca como factor hidrológico, donde el caudal aportado estará en función a las condiciones climáticas, fisiográficas, topográficas, tipo de cobertura vegetal, tipo de manejo de suelo y capacidad de almacenamiento. El punto de partida para la elaboración del análisis hidrológico en la delimitación de la cuenca. Ya que nos proporciona el área

que esta abarca y con esto

averiguar si hay que subdividirlas. Para poder realizar el tránsito de avenida con la finalidad de encontrar el caudal en el punto de estudio.

3.1.1. Morfología cuenca Dentro del análisis hidrológico se han propuestas muchas formas numéricas para describir las diferentes características de una cuenca hidrográficas. A continuación se describe algunas características que tienen relevancia para el estudio realizado.

3.1.1.1. 3.1.1.1.1.

Parámetros Físicos Área (A)

El determinar el área, además de que permite el cálculo de otras variables morfométricas, establece una primera clasificación entre diversas cuencas en dependencia de su tamaño; de este parámetro depende en gran medida el volumen de captación y la magnitud del escurrimiento que se tengan por los cauces

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Tabla 1: Clases de tamaños de cuencas en dependencia de Rangos de áreas (Km 2)

3.1.1.2.

3.1.1.2.1.

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

Parámetros según su forma

Índice de compacidad (coeficiente de Gravelius)

Este índice expresa la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro equivalente de una circunferencia, además la influencia del perímetro y área de la cuenca en la escorrentía. Si el coeficiente K = 1 se trata de cuenca circular, si K > 1 la cuenca tomara una forma alargada, esto reduce la probabilidad de que toda la cuenca sea afectada por una tormenta modificando la respuesta de que presenta el cauce. 𝐾=

𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐶𝑢𝑒𝑛𝑐𝑎 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑒𝑎

Tabla 2: Clases 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

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3.1.1.2.2.

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 no puede ser menor a la unidad, y mientras más converja a este valor se considera menos achatada. 𝐊𝐟 =

𝐀 𝐋𝟐

Dónde: Kf: Coeficiente de forma. A: Área promedio de la cuenca (Km2) L: Longitud de la cuenca (Km) Tabla 3: Clases de valores deforma Rangos de Kf (Km)

Clasificación según su forma

0.01 - 0.18

Muy poco achatada

0.18 - 0.36

Ligeramente achatada

0.36 - 0.54

Moderadamente achatada

3.1.1.2.3.

COEFICIENTE DE MASIVIDAD (KM)

Este coeficiente representa la relación entre la elevación media de la cuenca y su superficie de la cuenca. 𝐾𝑚 =

𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑎(𝑚) 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑎 (𝑘𝑚2 )

Este valor toma valores bajos en cuencas montañosas y altos en cuencas llanas.

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Tabla 4: Clases de valores de masividad Rangos de Km

Clase de masividad

0-35

Muy montañosa

35-70

montañosa

70-105

Moderadamente montañosa

3.1.1.3.

3.1.1.3.1.

Parámetros según su relieve

Pendiente de la cuenca

Esta característica controla en buena parte la velocidad con que se da la escorrentía superficial en cada subcuenca, la cual se logra mediante un mapeo de pendiente del drenaje no canalizado y afecta, por lo tanto, el tiempo que lleva el agua de la lluvia para concentrarse en los canales fluviales que constituyen la red de drenaje de las cuencas. Este valor influye en la determinación del coeficiente de escorrentía de cada subcuenca

3.1.1.3.2.

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. 𝑺𝒄 =

𝑯 𝑳

Dónde: H: Desnivel en el cauce principal L: Longitud total del cauce principal Sc: Pendiente del cauce

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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:

Tabla 5: Clases de valores de pendiente del cauce principal 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

3.1.1.3.3.

Fuerte

Curva Hipsométrica

Esta curva representa la relación entre la altitud y superficie de la cuenca que queda sobre esa altitud, donde se relacionan los valores de la cota en las ordenadas, con el porcentaje del área acumulada en las abscisas. Para su construcción se grafican, con excepción de los valores máximos y mínimos de las cotas halladas.

3.1.1.3.4.

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 de la ecuación: H=

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∑(Ci ∗ ai) A

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Dónde: H: Elevación promedio de la cuenca Ci: Cota media del área delimitada por dos curvas de nivel ai: Área entre curvas de nivel A: Área total de la cuenca Tabla 6: Clases de desniveles altitudinal (msnm) Rangos

de

elevación

en Clase de elevación

msnm 600-1220

Bajo

1221-1841

Mediano

1842-2462

alto

3.1.1.3.5.

Longitud del cauce (Lc)

La longitud del cauce permite determinar la clase (ver tabla 2), la cual ayuda a tener noción del posible comportamiento de la pendiente, además proponer la ubicación de cierta cantidad de puntos de controles en los lugares críticos, según la longitud y la topografía. Determinando la longitud del cauce se puede clasificar como: Tabla 7: Clases de valores de longitudes del cauce principal en dependencia de la longitud Rangos

de

longitud

en Clases de longitud del

kilómetros

cauce

6.9 - 10.9

Corto

11

Mediano

15.1

-

15 - 19.1

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Largo Página 8

3.1.1.4. 3.1.1.4.1.

Otros parámetros Tiempo de Concentración (tc)

Se visualiza como el tiempo de viaje de una partícula de agua desde el punto más remoto, hacia la salida de la cuenca, con una intensidad de lluvia uniforme y duración limitada, se puede calcular usando: el método desarrollado por wl proyecto hidrometeorológico centroamericano 𝑇𝑐 = 0.0041 ∗ (

3.28 ∗ 𝐿 √𝑆

0.77

)

Donde: tc = tiempo de concentración (min) L = Máxima longitud de recorrido (m)

3.1.1.4.2.

Sinuosidad de la Corriente

Es la relación entre la longitud del rio principal medida a lo largo de su cauce L, y su longitud del valle del rio principal medida en la línea curva o recta Lt. Este parámetro da una medida de la velocidad de la escorrentía del agua a los largo de la corriente. Un valor de S menor o igual a 1.25 indica una baja sinuosidad. Se define entonces como un rio con alineamiento recto.

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3.2.

Parámetros hidrológicos.

3.2.1. Precipitación

La precipitación incluye la lluvia y otros procesos mediante los cuales el agua cae a la superficie terrestre. La formación de precipitación requiere la elevación de una masa de agua en la atmosfera de tal manera que se enfríe y parte de su humedad se condense. El exceso de precipitación es aquella que no se retiene en la superficie terrestre y tampoco se infiltra en el suelo, esto debido a las malas prácticas ambientales y la expansión urbanística; el exceso se convierte en escorrentía directa a la salida de la cuenca bajo la suposición de un flujo superficial. Estas precipitaciones presentan una gran variación en el espacio y tiempo, que es lo que conocemos como lluvia, que se registra en un intervalo de tiempo de referencia para una tormenta; lluvia la cual muestra una gran intensidad, dada en un intervalo de tiempo con cierta repetición; esto permite la construcción de graficas como lo son las curvas IDF (Intensidad-Duración-Frecuencia). Las IDF, permiten la creación de tormentas de diseños, las cuales nos ayudan a generar precipitaciones representadas en gráficos llamados Hietogramas de diseño, datos que son necesarios modelar hidrológicamente en HEC-HMS en posibles escenarios de tormentas.

3.2.2. Hietograma de precipitación de diseño utilizando el método de bloques alternos.

El método del bloque alterno es una forma simple para desarrollar un hietograma de diseño utilizando una curva IDF. El hietograma de díselo producido por este método especifica la profundidad de precipitación que ocurre en n intervalos de tiempo sucesivos de duración Δt sobre una duración total 𝑇𝑑 = 𝑛∆𝑡. Después de Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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seleccionar el periodo de retorno de diseño, la intensidad es leída en una curva IDF para cada una de las duraciones Δt, 2Δt, 3Δt…., y la profundidad de precipitación correspondiente se encuentra al multiplicar la intensidad y la duración. Tornando

diferencias entre valores sucesivos de profundidad de

precipitación, se encuentra la cantidad de precipitación que debe añadirse por unidad adicional de tiempo Δt. Estos incrementos o bloques se reordenaran en una secuencia temporal de modo que la intensidad máxima ocurra en el centro de la duración requerida Td y que los demás bloques queden en orden descendente alternativamente hacia la derecha y hacia la izquierda del bloque para formar el hietograma de diseño.

3.2.3. Método SCS para Abstracciones

Según Chow (1994) las abstracciones o pérdidas es la diferencia que existe entre el hietograma de lluvia total que se observa y el hietograma de exceso de precipitación. Estas pérdidas son primordialmente agua absorbida por infiltración con algo de intercepción y almacenamiento superficial. El Servicio de Conservación de Suelos (SCS) mediante el Número de Curva (CN) estima el exceso de precipitación en función de la precipitación acumulada, la cobertura del suelo, uso del suelo y la humedad antecedente. 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.

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Ilustración 1: Solución de la Ecuación de escorrentía del SCS Fuente: Chow (1994)

Los números de curva que se muestran en la ilustracion 3, se aplican para condiciones antecedentes de humedad (AMC, pos sus siglas en inglés) normales (AMC II), para condiciones secas (AMC I) o condiciones húmedas (AMC III), los números de curva equivalentes pueden calcularse por:

𝐶𝑁𝐼 = Tabla 8: humedad

𝐶𝑁𝐼𝐼𝐼 =

4.2𝐶𝑁(𝐼𝐼) (3.9) 10 − 0.058𝐶𝑁(𝐼𝐼) 23𝐶𝑁(𝐼𝐼) (3.10) 10 − 0.13𝐶𝑁(𝐼𝐼)

Clasificación de clases antecedentes de (AMC) para el método de abstracciones de lluvia

del SCS Grupo AMC

Lluvia antecedente total de 5 días (pulg) Estación inactiva

I II III

Menor que 0.5 0.5 a 1.1. Sobre 1.1.

Estación de crecimiento Menor que 1.4 1.4 a 2.1 Sobre 2.1

(Fuente: Te Chow, V. (1994), tabla 5.5.1, pág. 153).

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En la tabla 8 se muestra el rango para las condiciones antecedentes de humedad para cada clase. Los números de curvan han sido tabulados por el servicio de conservación de suelos con base en el tipo de suelo y el uso de la tierra se definen cuatro grupos de suelos:



Grupo A: Arena profunda, suelos profundos depositados por el viento, limos agregados.



Grupo B: Suelos poco profundos depositados por el viento, marga arenosa.



Grupo C: Margas arcillosos, margas arenosas poco profundas, suelos con bajo contenido orgánico y suelos con altos contenidos de arcillas.



Grupo D: Suelos que se expanden significativamente cuando se mojan, arcillas altamente plásticas y ciertos suelos salinos.

Los valores de CN para varios tipos de uso de tierra en estos tipos de suelos se dan en la tabla 9. Para una cuenca hecha de varios tipos de suelos y con diferentes usos de tierra, se pueden calcular un CN compuesto. Tabla 9: Números de Curva según el Uso de la tierra 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

Tierra cultivada Pastizales

Vegas de ríos

A

B

C

D

Sin tratamientos de conservación

72

81

88

91

Con tratamientos de conservación

62

71

78

81

Condiciones pobres

68

79

86

89

Condiciones optimas

39

61

74

80

Condiciones optimas

30

58

71

78

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Bosques

Descripción del uso de la tierra

A

B

C

D

Troncos delgados, cubierta pobre, sin hierbas, cubierta buena.

45

66

77

83

25

55

70

77

39

61

74

80

49

69

79

84

89

92

94

95

81

88

91

93

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 % Áreas comerciales de negocios (85 % impermeables)

Residencial

Tamaño promedio del lote 1/8 acre o menos

Porcentaje promedio impermeable 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

51 98

68 98

79 98

84 98

98 76 72

98 85 82

98 89 87

98 91 89

1 acre 20 Parqueaderos pavimentados, techos, accesos, etc.

Calles y carreteras

Pavimentadas con cunetas y alcantarillado Grava Tierra

(Fuente: Te Chow, V. (1994), tabla 5.5.2, pág. 154).

3.2.4. Método de transformación de lluvia a escorrentía

3.2.4.1.

Hidrograma unitario del SCS

El SCS propuso un parámetro el modelo del hidrograma unitario (UH) el modelo se basa en los promedios de hidrogramas unitarios derivados de precipitaciones pluviales y escorrentía observado en numerosas cuencas agrícolas de todo el territorio de los Estados Unidos. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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El hidrograma adimensional SCS es un hidrograma unitario sintético en el cual se expresa por la relación del caudal q con respecto al caudal pico Q p y el tiempo por relación

del tiempo t con respecto de ocurrencia del pico en el hidrograma

unitario Tp. Dado el caudal pico y el tiempo de retardo para la duración de exceso de precipitación, el hidrograma unitario se puede estimar a partir

del hidrograma

sintético adimensional para la cuenca dada. En base a la experiencia obtenida a través

de la revisión de una gran cantidad

de hidrogramas unitarios el SCS sugiere que el tiempo de recesión puede aproximarse como 1.67 Tp. Puesto que el área bajo el hidrogrma unitario debería ser igual a una escorrentía directa de 1 cm , se puede demostrar que

𝑞𝑝 =

𝐶𝐴 𝑇𝑃

Donde C=es una constante de conversión (2.08 en el sistema internacional SI) A= es el área de drenaje en kilómetros cuadrados. Adicionalmente de muchos estudios realizados en cuencas rurales grandes y pequeñas indica que el tiempo de retardo tp =0.6Tc, donde Tc es el tiempo de concentración de la cuenca. Como se muestra en la figura 7.b), el tiempo de ocurrencia del pico Tp, puede expresarse en términos del tiempo de retardo t p y de la duración de la lluvia tr 𝑇𝑃 =

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

𝑡𝑟 + 𝑡𝑃 2

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Ilustración 2: Hidrogramas unitarios sintéticos del SCS. a) Hidrograma adimensional y b) hidrograma unitario triangular.

El hidrograma adimensional de la ilustración 2

puede convertirse a las

dimensiones requeridas multiplicando los valores del eje horizontal por T p y los del eje vertical por qp, alternativamente el hidrograma unitario triangular puede graficarse con tb=2.67Tp, esto verifica la profundidad de escorrentía directa es igual a 1cm.

3.2.5. Tránsito de Avenidas

El tránsito de avenidas es la técnica hidrológica utilizada para calcular el efecto de almacenamiento de un canal sobre la forma y movimiento de una onda de avenida. Dado el caudal en un punto agua arriba el proceso de tránsito puede utilizarse para calcular el caudal en un punto agua abajo. El almacenamiento hidráulico no sólo ocurre dentro de un canal o un embalse si no en el movimiento mismo del agua sobre la superficie del terreno. El almacenamiento es pues efectivo durante la propia formación de una onda de Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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avenida y los métodos de transito pueden aplicarse para calcular el hidrógrama que resultara de un patrón especifico de lluvia de exceso. El método Muskingum es un método de transito hidrológico que se usa comúnmente para manejar relaciones caudal-almacenamiento

variables. Este

modelo de almacenamiento volumétrico de creciente en un canal de un rio mediante la combinación de almacenamiento de cuña y prisma (ver ilustración N°4). Durante el avance de la onda de creciente, el caudal den entrada es mayor que el caudal de salida, siendo un almacenamiento de cuña.

Ilustración 3: almacenamientos por prisma y por cuña en un tramo de un canal.

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 microcuencas 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 C1I1se 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. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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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 la de 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, tanto más pronunciado el efecto de atenuación. Si el valor de K es más grande, el agua tardará más tiempo en atravesar el tramo y por tanto el punto de crecida será menor o más distribuido. 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. Ya con un valor inicial dado de 0 que es estimado, se realiza el producto C 201, luego los tres productos se suman para obtener 0 2. El valor calculado de 02 este se transforma a 01para el siguiente periodo de análisis y puede determinarse otro valor de 02. Este proceso continua hasta todos los valores de I para cada punto de cierre. La ecuación del Muskingum es la siguiente: 02=C0*I2+C1*I1+C2*O1 Donde: 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 (m 3/s) C0, C1, C2: coeficiente de rugosidad del cauce.

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Es importante recordar que el método de retardo y K se basa en varias suposiciones básicas: -Solo es válido para ondas de avenidas de variación lenta. -El método de retardo y k no se toma en cuenta condiciones de flujos complejas.

3.2.5.1.

Parámetros del transito

Velocidad de tránsito (VT) La velocidad de tránsito para el primer flujo en la subcuenca 1 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. 𝑉𝑡 =

1 𝑛(𝑉1 + 𝑣2 + ⋯ + 𝑉𝑛)

n: la cantidad de subcuenca 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

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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. 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 Tiempo de retardo (K) Es el tiempo pico del hidrógrama a transitar y el tiempo pico del hidrógrama transitado 𝐾=

𝐿𝑡 𝑉𝑡

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. Tiempo del Hidrógrama a transitar (T) El tiempo del hidrógrama es el cociente que resulta al dividir como mínimo por 2 el tiempo pico del hidrógrama a transitar. Se necesita que el coeficiente de rugosidad de la ecuación del tránsito sea positivo, en el caso contrario se procederá a dividir el tiempo pico por 3,4…..n veces hasta obtener el coeficiente positivo.

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En el caso que le coeficiente no cambie de signo, esto significara que habrá perdidas en el caudal del tránsito, lo que lo que ocurre si el tiempo de retardo (k) es mucho menor que el tiempo pico del hidrograma a transitar, es decir: K
3.3.

Análisis Hidráulico.

En resumen, en la zona de un puente se pueden presentar cuatro tipos de flujo cuando existe flujo libre a través del puente. Cuando se tiene condiciones de flujo libre en la zona del puente se dice que el flujo es bajo, en tanto que el flujo alto se considera cuando la estructura llega a actuar a presión o como un vertedero.

El drenaje transversal de la carretera tiene como objetivo evacuar adecuadamente el agua superficial que intercepta su infraestructura, la cual discurre por cauces Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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naturales o artificiales, en forma permanente o transitoria, a fin de garantizar su estabilidad y permanencia. El elemento básico del drenaje transversal se denomina alcantarilla, considerada como una estructura menor, su densidad a lo largo de la carretera resulta importante e incide en los costos, por ello, se debe dar especial atención a su diseño. Las otras estructuras que forman parte del drenaje transversal son el badén y el puente, siendo éste último de gran importancia, cuyo estudio hidrológico e hidráulico que permite concebir su diseño, tiene características.

3.3.1. Tipos de flujos

Flujo bajo: El siguiente enfoque es puramente teórico pero la mejor aproximación desde el punto de vista hidráulico de lo que ocurre en el sitio del cruce de un cauce o rio con un puente cuando el flujo es bajo o libre, ya que no se cuenta con información suficiente de campo o de laboratorio para determinar lo que realmente ocurre en la práctica durante a una creciente. Los efectos del estrechamiento de un cauce visto en planta se observan figuras. Flujo alto: Se considera que el puente está sometido a flujos alto cuando se presenta flujo a presión o en vertedero, situaciones que deben ser evitadas en el diseño, ver figura. Esto sucede, cuando la elevación del nivel del agua, aguas arriba del puente es más alta que el punto más alto de la cuerda inferior del lado de aguas arriba de puente. Para calcular las elevaciones de la superficie del agua durante los flujos altos son: Balance de energía o Flujo a presión y/o vertedero. Estando seleccionado por defecto el de energía. Flujo a presión: El flujo a presión se presenta cuando la superficie del agua entra en contacto con la parte más baja de la losa o de las vigas del puente (elevación inferior del tablero), formando un remanso aguas arriba. Cuando el flujo entra en Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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contacto con el lado aguas arriba del puente, el remanso ocurre y el flujo en orificio es establecido. Dos casos de flujo a presión se consideran:  

Cuando solamente el lado aguas arriba del puente está en contacto con el agua, produciendo un flujo bajo compuerta. cuando la apertura del puente está completamente llena, produciéndose un flujo a través de orificio. En este segundo caso, cuando ambos lados del puente (la parte inferior del tablero), aguas arriba y aguas abajo son sumergidos, obteniendo un flujo en orificio completamente lleno.

Flujo en vertedero: El flujo sobre vertedero ocurre cuando el agua pasa por encima del puente

Tabla 10: Tipos de flujo en la zona de un puente Flujo Libre

Flujo Bajo Compuerta

Flujo en Orificio

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Flujo en vertedero

(Fuente: Análisis Hidráulico de puente NELAME, 2012, pág. 27 y 29)

3.3.2. Parámetros hidráulicos para el diseño de un puente.

Los parámetros hidráulicos asociados al diseño de puentes son los siguientes:

3.3.2.1.

Perfil de flujo

El perfil de flujo permitirá obtener el nivel alcanzado por el agua para el caudal de diseño. El cálculo del perfil de flujo deberá incluir la presencia del puente proyectado, debido a que cuando el flujo interactúa con la estructura, se produce una sobreelevación del nivel de agua a la entrada del puente y una depresión del nivel de agua en la salida, este comportamiento es normal ya que el agua debe ganar energía potencial a fin de que pueda atravesar por la sección contraída. Una vez conocido los niveles de agua, el especialista puede establecer la altura mínima que ofrecerá el puente.

3.3.2.2.

Socavación

La socavación es un fenómeno hidrodinámico que es la causa más frecuente de falla que afecta las cimentaciones de los puentes. Dicho fenómeno es una combinación de distintos procesos, unos que se producen a largo plazo y otros transitorios por el paso de avenidas. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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El proceso de socavación en un puente se analiza como erosión potencial total y es de carácter estimativo, la cual combina la socavación producida en la sección del puente y sus inmediaciones, causada por el estrechamiento del cauce debido a su construcción y la socavación local que se produce en las inmediaciones de los pilares y estribos rodeados por la corriente del río. Sin embargo, cabe indicar que estos procesos de socavación son inherentes a la presencia del puente sobre el curso natural, porque existen otros procesos de socavación que ocurren de manera independiente a la presencia del puente y son la socavación general y la socavación en curvas que también deberán ser tomados en cuenta al momento de la estimación de la socavación potencial total.

3.3.3. Cálculos hidráulicos de un puente

El cálculo hidráulico de un puente significa en primer lugar determinar la capacidad hidráulica de la sección de escurrimiento, es decir si el caudal de diseño pasa adecuadamente a través de él, luego determinar la sobreelevación del nivel de agua provocada por la presencia del puente y estimar el nivel de socavación potencial total en la zona de los apoyos.

3.3.3.1.

Cálculo de niveles de agua

Para el estudio de la capacidad hidráulica y el cálculo de la sobreelevación del nivel de agua, se realiza un cálculo en régimen permanente gradualmente variado, la cual permite calcular niveles de agua cuando la geometría fluvial es irregular. El modelo matemático utilizado corresponde a un flujo unidimensional, no uniforme, permanente y de lecho fijo. El modelo se basa en la aplicación de la Ecuación de la Energía: 𝑝2 𝛼2 𝑉2 2 𝑝1 𝛼1 𝑉1 2 𝑍2 + + = 𝑍1 + + +𝐸 𝛾 2𝑔 𝛾 2𝑔 𝑍𝑛 , 𝑝𝑛 =Nivel del pelo de agua en los extremos del tramo (m) Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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𝑉𝑛 =Velocidad media en la sección mojada en los extremos del tramo (m) ∝𝑛 , ∝𝑛 =Coeficiente de la no-uniformidad de distribución de las velocidades en la sección mojada. g= Aceleración de la gravedad (m/𝑠 2 ) E=Total de pérdidas de energía en el tramo del curso de agua considerado en el cálculo, de una longitud L (m). En la ecuación anterior, los subíndices 1 y 2 se refieren a dos secciones distintas, la sección 1 ubicada aguas arriba de la sección 2. En la solución numérica iterativa de la ecuación, la incógnita es el nivel de agua Z 1 + P1/γ en la sección 1 y es dato el nivel de agua en la sección 2, Z2 + P2/γ. Se procede desde aguas abajo hacia aguas arriba cuando el flujo es subcrítico, mientras que se procede en forma inversa cuando el flujo es supercrítico. El cálculo iterativo se puede realizar mediante dos métodos, el primero es el método del paso directo y el segundo es el método del paso estándar. Un modelo muy empleado en nuestro medio es el HEC –RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System), actualmente muy utilizado para calcular parámetros hidráulicos para diseño de obras de cruce en cauces naturales desarrollado por el U.S. Army Corps of Engineers. 

En una sección debe existir un tirante conocido.

- Si el flujo es subcrítico, se debe conocer la sección aguas abajo. - Si el flujo es supercrítico, se debe conocer la sección aguas arriba.   

Se considera que el flujo es gradualmente variado y permanente. En el tramo no existe variación de caudal. Si existe variación de caudal, debe incluirse aguas arriba en cada tramo. La pendiente de fondo es pequeña (menor a 10%).

3.3.3.2.

Estimación de la socavación.

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Página 26

En el presente ítem se describirá los procesos de socavación inherentes al diseño de puentes. En nuestro país la causa hidráulica más frecuente de fallo de puentes es la socavación, que tiene lugar en la zona de sus apoyos, la cual afecta las cimentaciones,

ya

sea

por

su

insuficiente

nivel

de desplante o por

construcción inadecuada. La socavación es un proceso que se produce a largo y corto plazo o transitorio, como en el caso de la ocurrencia de avenidas. Generalmente los fallos ocurren cuando se producen las avenidas, sin embargo, también se presentan con procesos que ocurren a largo plazo. La estimación de la profundidad de socavación para el diseño de puentes debe tomar

en

cuenta

los

siguientes

aspectos;

la

socavación

que

ocurre

independientemente de la presencia del puente como socavación general, socavación en curvas, etc., la socavación que ocurre en la sección del puente debido al estrechamiento del cauce por la presencia del puente (socavación por contracción) y la socavación que ocurre en la zona de sus apoyos (socavación local de pilares y estribos rodeados por la corriente). La suma de las componentes de la socavación, permite obtener la socavación potencial total, mediante expresiones que consideran socavaciones máximas por el lado de la seguridad.

3.3.3.2.1.

Socavación general

Para fines de estimación con el objetivo de diseño de puentes es usual adoptar un criterio conservador que consiste en calcular la máxima profundización posible del lecho, bajo una condición hidráulica dada. La máxima profundización del cauce ocurre cuando se alcanza la condición de transporte crítico, donde la velocidad de flujo se reduce a tal punto en que la corriente no puede movilizar y arrastrar más material del lecho y a su vez no existe transporte de material desde aguas arriba. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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Por lo tanto, cuando se produce la avenida, la sección geométrica del cauce se modifica dando lugar a una nueva sección, la cual obviamente está socavada, donde el lecho queda en condiciones de arrastre crítico o de transporte incipiente.

3.3.3.2.2.

Socavación en contracción

Se entiende por socavación en estrechamientos o contracciones la que se produce por el aumento en la capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta por efecto de una reducción de área hidráulica en su cauce. El efecto es muy importante en puentes, donde por lo común y por razones de economía suelen ocurrir las mencionadas reducciones, si bien puede presentarse en otros lugares del curso del río, en que un estrechamiento más o menos brusco tenga lugar. Los cambios que la presencia de un puente impone a la corriente son principalmente los siguientes:  

Cambio de la velocidad del flujo del agua en el cauce principal. Cambio en la pendiente de la superficie libre del agua, hacia arriba y hacia abajo del puente. Esto origina un mayor arrastre del material del fondo en la sección del cauce y, cuando ello es posible, un ensanchamiento del cauce.

La socavación por contracción es la que ocurre debido al estrechamiento del flujo por la fundación del puente (incluyendo las aproximaciones).

3.3.3.2.3.

Socavación local.

3.3.3.2.3.1. Socavación local en pilas en pilas.

Existen varios métodos para el cálculo de la socavación local alrededor de pilares, pero a la fecha no existe ninguna solución rigurosa ni exacta. La mayoría de las ecuaciones son aplicables para cauces aluviales y no consideran la posibilidad de Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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que materiales más gruesos y de mayor peso, presentes en el lecho, acoracen el hoyo que se produce por la socavación, lo que limitaría su profundidad. En 1965, Breusers propuso que la profundidad de socavación era de 1.4 veces el ancho del pilar. Recientemente, otros investigadores como B. W. Melville, Sutherland y Chang, han reportado que la socavación local máxima es aproximadamente 2.4 veces el ancho del pilar para el caso de pilares circulares. En los estudios hechos, el número de Froude fue menor que 1.0. Otras formas de pilares diferentes a la circular pueden disminuir este valor o la presencia de desechos puede incrementarlo. El valor de la relación profundidad de socavación al ancho de la pilar (ds/a) puede llegar a 3.0 para números de Froude altos. En conclusión, se sugiere preliminarmente para pilares con punta circular alineadas con el flujo que la constante sea tomada igual a 2.4 para números de Froude menores que 0.8 y a 3.0 para números de Froude mayores que 3.0. Dentro de los muchos métodos que existen para estimar la profundidad de socavación local en pilares de puentes, se han seleccionado algunos, con la finalidad de ilustrar la gran variedad existente y cuáles son los parámetros involucrados: Laursen y Toch (1953, 1956); adaptación de Neill (1964) al método de Laursen y Toch; Larras (1963); Neill (1964); Arunachalam (1965, 1967); Carsten (1966); Maza Sánchez (1968); Breusers, Nicollet y Shen (1977); Universidad Estatal de Colorado (CSU); y Melville y Sutherland (1988), Froehlich (1991). Entre otros métodos de cálculo reportados en la bibliografía especializada están: Shen, Jain y Fischer, Inglis-Poona, Chitale y Yaroslavtziev.

3.3.3.2.3.2. Socavación local en los estribos

Existen algunos métodos para la determinación de la socavación local en estribos, entre ellos podemos mencionar: Liu, Chang y Skinner, Laursen, Artamonov, Froehlich, Hire y Melville. Sin embargo, la incertidumbre existente con relación a la aplicabilidad y a los resultados de las ecuaciones es mayor que para el caso de la socavación local en pilares.

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Todas las ecuaciones existentes tienen limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, las ecuaciones han sido desarrolladas para cauces de lecho arenoso y no tienen en cuenta la posibilidad de acorazamiento. Las ecuaciones para el cálculo de la socavación local en estribos se basan en información de laboratorio y muy poca información de campo existe para su verificación. Casi todas las ecuaciones dan como resultado valores muy conservadores de socavación debido a que consideran que el estribo está en el cauce principal formado por lechos aluviales y asumen que el caudal de agua obstruido es proporcional a la longitud del estribo, lo cual raramente ocurre en la realidad. El especialista debe determinar la ecuación que mejor se ajusta a las condiciones de un puente en particular. La socavación local en los estribos depende entre otros de la forma del estribo, las características del sedimento, la forma de la sección transversal, la profundidad del flujo en el cauce principal y en las márgenes, el caudal que es interceptado por el estribo y retorna al cauce principal, el alineamiento del cauce, el tiempo de duración de la creciente, etc., factores que no se reflejan debidamente en las ecuaciones existentes. La socavación local en estribos puede ser en agua clara o en lecho móvil (vivo), dependiendo en muchos casos si el estribo se ubica en las márgenes o si está dentro del cauce principal. La socavación local en estribos depende de la interacción del flujo obstruido por el estribo y el terraplén de la carretera y el flujo en el cauce principal. El caudal que retorna al cauce principal no es una función simple de la longitud de la estructura y es precisamente la longitud del estribo que se opone al paso del agua, el parámetro más importante que interviene en el cálculo de la profundidad de la socavación local. Socavación más severa ocurre cuando la mayor parte del flujo de las márgenes es obstruido y obligado a pasar abruptamente por la sección del puente. Menos socavación ocurre si el flujo obstruido en las márgenes regresa gradualmente al cauce principal en el puente. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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IV.

Análisis de resultados

4.1.

Localización del área de estudio 4.1.1. Macro localización

El Puente el Ostaya se encuentra ubicado en el tramo de carretera situado sobre la ruta troncal principal que va destino hacia el Puesto Fronterizo con Costa Rica, Peñas Blancas, proviniendo de Rivas y del resto del país. Las comunidades con mayor influencia del proyecto son: Ostaya, Asentamiento Ibarra y Sapoá. A continuación, se presenta la Figura 1, donde se refleja el recorrido del tramo de estudio.

Ilustración 4: macro localización Tramo Sapoá-Peñas Blancas

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4.1.2. Micro Localización

El puente en estudio se encuentra localizado en las coordenadas UTM:

Y:

1245112.80714 y X: 648320.558989

Ilustración 5: Micro Localización del puente

4.2.

Delimitación de la cuenca

Para determinar el área de la cuenca del rio Ostaya se usó el DEM de Nicaragua ya

que es la base fundamental para realizar la delimitación de la cuenca en

ArcGIS en la ilustración N°6 se presenta los resultados obtenidos:

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Página 32

Ilustración 6: Delimitación Cuenca rio Ostaya

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4.3.

Parámetros Morfométricos

Área y perímetro La cuenca antes mencionada, tiene un área de 27.46Km2, y un perímetro de 43.82 km estos datos se obtuvieron con el Software ArcGIS. Por su orden de tamaño puede clasificarse en el siguiente rango: 25 Km2 ≤ 124.76 Km2 ≤ 250 Km2, es una cuenca pequeña, así mismo se procedió

a

subdividir la cuenca en subcuencas menores a 6 km 2 a continuación se presenta estas áreas: Tabla N°10: áreas de las Subcuenca del rio Ostaya

nombre Área km2 W180

3.8796

W60

3.4116

W80

4.1699

W90

5.8955

W140

4.2986

W190

5.8080

Σ

27.46

Forma de la cuenca Índice de compacidad (Kc) K c = 0.28

43.82 √27.46

K c = 2.34 Rango Kc:(1.5-1.75)

de oval oblonda a rectangular oblonga

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 Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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Coeficiente de forma Kf =

27.46 9.162

K f = 0.32 Rango Kf: (0.18-0.36) = ligeramente achatada Según el valor obtenido y la clasificación dada se considera que la cuenca es ligeramente

achatada. Por tanto está

sujeta a crecientes y afecta a las

características de escurrimiento de la cuenca. Coeficiente de masividad Km Km =

140.13 27.46

K m = 5.1 Rango Km (0-35)= muy montañosa Según los resultados obtenidos la cuenca está en el rango de muy montañosa, lo que se puede apreciar ya que no ha sido afectada por el efecto de las urbanizadoras Relieve de la cuenca El cauce principal hasta el punto de cierre posee una longitud de 14.33 Km. Según la clasificación dada la longitud de cauce principal se considera larga ya que sobrepasa el límite.15.1 Km < 14.33 Km <25.3 Km Al presentarse que la longitud de cauce principal entra en un rango considerado como largo supone mayores tiempos de desplazamiento de las crecidas. Pendiente de la cuenca A través de la herramienta Idrisi Selva se determinó este parámetro, dando como resultado una pendiente media del 20.79 %. Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

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Ilustración 7: Pendiente de la cuenca del rio Ostaya

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Pendiente del cauce principal Este parámetro varia durante el recorrido del cauce principal dando como resultado un promedio del 2.05° equivalentes al 3.73%; por tanto se clasifica como una suave

Ilustración 8: Pendiente del Cauce Principal

Tabla N°11: Valores de pendiente del cauce principal

Valores de pendiente del cauce principal (m/m) Rangos de pendiente

Clases de Pendiente

0.01-0.05

Suave

0.06-0.11

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

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Curva Hipsométrica

Ilustración 9: Curva Hipsometrica de la cuenca del rio Ostaya

Elevación media La elevación media de la cuenca es de 140.13 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. (140.13 msnm< 1782.3msnm < 2072.2 msnm) Tabla N°12: Resumen de los resultados

El resumen de los resultados que se obtuvieron del análisis en el software “idrisi Selva” se presentan a continuación: Parámetro

Registro Unidad

Descripción

CLVRGN

1.00

Cuenca hidrográfica

A_KM2

27.46

Km2

Superficie de cuenca

P_KM

43.82

Km

Perímetro de la cuenca

EM_M

140.13

msnm

Elevación media

PM_G

11.41

°

Pendiente media (grados)

PM_P

20.79

%

Pendiente media (porcentaje)

KC

2.36

Coeficiente de compacidad (Gravelius)

RCI

0.18

Relación circular

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Parámetro

Registro

unidad

Descripción

RH

3.27

LC_KM

14.33

Km

Longitud del eje del río principal

LA_KM

9.16

Km

Longitud directa del río principal

SH

1.57

EMX_M

297.62

msnm

Altitud inicial

EMN_M

33.96

msnm

Altitud media

SC_P

2.05

°

Pendiente promedio del río principal

TC_KIRPICH

2.39

Tiempo de concentración Kirpich

TC_CHPW_H

2.40

Tiempo de concentración de California Highways and Public

Relación hipsométrica

Coeficiente de sinuosidad hidráulico

Works Rf

0.33

Índice de forma (Horton)

Re

0.65

Relación de elongación

4.4.

Estudio hidrológico de la cuenca

4.4.1. Delimitación de la Cuenca El modelo de la cuenca utilizado en el análisis hidrologico fue creado a partir de ArcGIS con las extensiones Arc Hydro Tools Y HEC GeoHMS a continuación se presenta el modelo creado en ArcGIS

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Ilustración 10: Esquema de la Cuenca en HEC-HMS

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Los parámetros a considerarse como lo son: el Área de las subcuencas, las pendientes de las subcuencas, Longitud y pendientes del cauce principal el programa ArcGIS realiza los cálculos, el tiempo de concentración se calculó en base a la fórmula de proyecto hidrometeorologico centroamericano Tabla N°13: Informacion morfometrica de las subcuenca

Subcuenca Área km2

Longitud

Elev

Elev

(m)

Max(m) Min(m)

Slp

Tc

(m/m) (hr)

W180

3.880 2445.721 48.771

33.850

0.006

0.494

W60

3.412 3351.390 259.270 79.739

0.054

0.273

W80

4.170 3190.610 116.588 79.739

0.012

0.474

W90

5.896 642.340

128.352 116.588 0.018

0.116

W140

4.299 2930.782 79.739

56.358

0.008

0.512

W190

5.808 2257.229 56.358

48.771

0.003

0.584

4.4.2. Hietograma de Diseño

En este caso se utilizó el método de bloques alternos, debido a que la cuenca se encuentra ubicada en su totalidad en el área de influencia de la estación hidrometeorológica de Rivas.

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Gráfico N°1: Curvas IDF estación de Rivas

Curvas IDF en Rivas Período: 1983 -2015

250

1.5 años 2 años 5 años 10 años 15 años

Intensidades en (mm/h)

200

150

100

Periodo de 50

0 0

100

200

300

400

Duración en Minutos

En el cual se elaboraron tres hietogramas de lluvia para los periodos de retorno de: 25, 50 y 100 años a partir de las curvas IDF de la estación antes mencionada, dichos hietogramas se realizaron para una duración máxima de 2 horas en intervalos sucesivos de 10 minutos. Tabla N°14: los datos de las curvas IDF de la estación de Rivas: Periodo

Tiempo en Mínuto

Retorno (Tr)

5

10

15

30

60

120

360

1.5 años

125.0

103.4

88.6

63.1

41.3

25.5

11.1

2

años

135.9

112.2

96.2

68.8

45.5

28.5

12.7

5

años

161.5

133.7

115.0

83.1

55.9

35.8

16.7

10 años

182.5

148.3

126.6

91.0

61.8

40.4

19.8

15 años

182.9

154.8

135.1

99.7

68.1

43.8

20.4

25 años

198.2

165.3

143.2

104.9

71.8

46.9

22.6

50 años

211.8

178.1

155.0

114.5

78.8

51.6

24.9

100años

217.6

188.9

167.6

127.1

88.3

57.2

26.4

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Página 42

Aplicación del Método de bloque alterno, para el periodo de retorno de 25 años Tabla N°15: Tabla de cálculo del hietograma de lluvia para TR25 bloques alternos (periodo de Retorno 25 años) duración(min)

INT(mm/h)

prof

prof(mm)

acum(mm)

tiempo

tiempo

inicial

final

precipitacion(mm)

10

165.338

27.55

27.55

0

10

3.14

20

127.037

42.34

14.79

10

20

3.73

30

104.923

52.46

10.12

20

30

4.64

40

90.29

60.19

7.73

30

40

6.29

50

79.784

66.48

6.29

40

50

10.12

60

71.82

71.82

5.34

50

60

27.55

70

65.542

76.46

4.64

60

70

14.79

80

60.447

80.59

4.13

70

80

7.73

90

56.216

84.32

3.73

80

90

5.34

100

52.637

87.72

3.4

90

100

4.13

110

49.565

90.86

3.14

100

110

3.4

120

46.893

93.78

2.92

110

120

2.92

Gráfico N°2: Hietograma de lluvia TR25

TR25 Precipitación(mm)

30 25 20 15 10

TR25

5 0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120

duración(mm)

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 43

Aplicación del Método de bloque alterno, para el periodo de retorno de 50 años Tabla N°16: Tabla de cálculo del hietograma de lluvia para TR50 bloques alternos (periodo de Retorno 50 años) duracion(min)

INT(mm/h)

prof

prof(mm)

acum(mm)

tiempo

tiempo

inicial

final

precipitacion(mm)

10

178.136

29.68

29.68

0

10

3.48

20

138.06

46.02

16.34

10

20

4.14

30

114.528

57.26

11.24

20

30

5.17

40

98.811

65.87

8.61

30

40

7.01

50

87.461

72.88

7.01

40

50

11.24

60

78.822

78.82

5.94

50

60

29.68

70

71.992

83.99

5.17

60

70

16.34

80

66.437

88.58

4.59

70

80

8.61

90

61.815

92.72

4.14

80

90

5.94

100

57.901

96.5

3.78

90

100

4.59

110

54.537

99.98

3.48

100

110

3.78

120

51.609

103.21

3.23

110

120

3.23

Gráfico N°3: Hietograma de lluvia TR50

Precipitación(mm)

TR50 35 30 25 20 15 10 5 0

TR50

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

duración(mm)

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 44

Aplicación del Método de bloque alterno, para el periodo de retorno de 100 años Tabla N°17: Tabla de cálculo del hietograma de lluvia para TR100 bloques alternos (periodo de Retorno 100 años) duracion(min)

INT(mm/h)

prof

prof(mm)

acum(mm)

tiempo

tiempo

inicial

final

precipitacion(mm)

10

188.894

31.48

31.48

0

10

3.63

20

151.135

50.37

18.89

10

20

4.44

30

127.127

63.56

13.19

20

30

5.73

40

110.371

73.58

10.02

30

40

8.03

50

97.94

81.61

8.03

40

50

13.19

60

88.309

88.3

6.69

50

60

31.48

70

80.603

94.03

5.73

60

70

18.89

80

74.281

99.04

5.01

70

80

10.02

90

68.99

103.48

4.44

80

90

6.69

100

64.49

107.48

4

90

100

5.01

110

60.61

111.11

3.63

100

110

4

120

57.226

114.45

3.34

110

120

3.34

Gráfico N°4: Hietograma de lluvia TR100

Precipitación(mm)

TR100 35 30 25 20 15 10 5 0

TR100

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

duración(mm)

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 45

4.4.3. Curva Numero del SCS

Para la obtención de la curva número es necesario conocer el uso y el tipo de suelo, con la finalidad de conocer cuanta es el porcentaje de infiltración que este posee.

4.4.3.1.

Uso de Suelo

El mapa uso de suelo se generó con ayuda de Mapa de coberturas y usos de la tierra de la republica de Nicaragua elaborado por: INETER con colaboración de otras instituciones como lo son: MARENA, MAG, INAFOR y UNA en el año 2015. Tabla N°18: Área de la cuenca del rio ostaya en dependencia del uso del suelo

DESCRIPTION

área

% de área

Bosque latifoliado denso

1.504264

5.48%

Bosque latifoliado ralo

4.480848

16.32%

Plantacion forestal

3.293248

11.99%

Pasto

7.592867

27.65%

Vegetacion arbustiva

9.900187

36.05%

Tacotal

0.673296

2.45%

Suelo sin vegetacion

0.014394

0.05%

Agua

0.003514

0.01%

Σ

27.462618 100.00

Como podemos ver en la tabla N°17 el 36.05 %, seguido de pasto con el 27.65% del área total está representado por las vegetación arbustivas, %, lo que significa que la mayor parte de la precipitación se va a infiltrar (ver ilustración N°11).

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 46

Ilustración 11: Uso de suelo de la Cuenca del rio Ostaya.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 47

4.4.3.2.

Tipo de Suelo

El mapa Tipo de suelo se generó con ayuda de Mapa de Uso potencial de la tierra de la republica de Nicaragua elaborado por: INETER con colaboración de otras instituciones como lo son: MARENA, MAG, INAFOR y UNA en el año 2015.

Tabla N°19: Área de la cuenca del rio ostaya en dependencia del tipo de suelo

grupo hidrológico

área

%área

B

17.9907611

65.51%

A

2.96870901

10.81%

C

6.50314794

23.68%

Σ

27.462618

100

Más del 50% del área de la cuenca pertenece al grupo hidrológico B, los que nos indica que en su mayor parte el suelo está compuesto por suelos arenosos por lo que tienen gran capacidad de infiltración estos suelos (ver ilustración 12).

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 48

Ilustración 12: Tipo de Suelo de la Cuenca del rio Ostaya.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 49

Ilustración 13: Subordenes de Suelo de la cuenca del rio Ostaya.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 50

Tabla N°20: Número de Curva en dependencia del grupo Hidrológico DESCRIPTION

A

B

C

D

Bosque latifoliado denso

25

50

70

77

Bosque latifoliado ralo

45

66

77

83

Plantación forestal

45

66

77

83

Pasto

49

79

86

89

Vegetación arbustiva

35

56

70

77

Tacotal

43

65

70

77

Suelo sin vegetación

28

50

61

67

Agua

100

100

100

100

Los datos de números de curva mostrados en la tabla 6 representan el número de la curva para cada uso de suelo en función del grupo hidrológico, mediante los atributos de grupos hidrológicos es que se pueden unir ambos mapas de suelos y crear el Raster con los valores del número de la curva. Los valores van de 0 a 100, 100 representa un suelo completamente impermeable, por lo que la capacidad permeable del suelo se va reduciendo a medida que se acerca al 100. El grupo A representa un suelo con gran capacidad de infiltración y de manera gradual conforme se avance en el grupo se van perdiendo las capacidades de los suelos.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 51

Ilustración 14: Curva Número de la Cuenca del rio Ostaya

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 52

4.5.

Método de transformación de lluvia a escorrentía

Ilustración 15: camino más largo de flujo por subcuenca

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 53

Los valores que emplea ArcGIS para determinar el Lag time son: la pendiente de la cuenca, la Curva número, la longitud hidráulica de la cuenca (ver ilustración N°15) y la capacidad de retención de agua máxima. Estos valores se detallan en la siguiente tabla. Tabla N°21: Parámetros utilizados para el cálculo del BasinLag NAME BasinSlope (%) BasinCN Longest flow path (m) BasinLag (hr)

4.6.

W180

12.499

76.432

3713.330

0.740

W60

22.592

57.269

4174.544

1.006

W80

28.160

62.847

4109.874

0.773

W90

31.737

55.989

3645.610

0.787

W140

15.808

68.264

3990.696

0.875

W190

12.153

72.696

5140.290

1.083

Tránsito de Avenida

Los parámetros del tránsito para cada rio se detallan en la siguiente tabla, ver ilustración N°6: Tabla N°22: Parámetros del tránsito Tramo

Longitud

Cota

Cota

Pendiente

Tc(hr)

Vc

Vt

K(Hr)

X

n

(m)

alta(m)

baja(M)

R40

3190.60966

116.5877

79.739

1.15%

0.474

1.87

1.545

0.574

0.2

1

R150

2930.78210

79.7392

56.357

0.80%

0.512

1.59

2.276

0.358

0.2

2

R200

2257.22871

56.3576

48.770

0.34%

0.584

1.07

1.933

0.324

0.2

1

R20

2445.72113

48.7706

33.850

0.61%

0.494

1.37

1.503

0.452

0.2

1

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 54

4.7.

Calculo de los caudales

Ilustración 16: Esquema en HEC-HMS

En la ilustración N°16 se muestran los nombres de cada componente del modelo de la cuenca. Del análisis hidrológico de la cuenca del rio ostaya en HEC-HMS se obtuvo los siguientes caudales

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 55

Para el periodo de retorno TR25 Tabla N°23: Caudales para cada elemento de la cuenca elemento

área de drenaje (KM2)

Caudal (MCS)

tiempo pico

volumen (MM)

W190

5.808

41.6 01ene2000, 02:12

46.49

W140

4.2986

31.5 01ene2000, 02:00

41.51

W90

5.8955

33 01ene2000, 01:54

29.97

W80

4.1699

28.5 01ene2000, 01:54

36.05

W60

3.4116

17.1 01ene2000, 02:12

31.04

W180

3.8796

38.6 01ene2000, 01:48

51.1

27.4632

122.9 01ene2000, 02:48

39.3

UserPoint2

5.8955

33 01ene2000, 01:54

29.97

UserPoint4

17.7756

90.5 01ene2000, 02:24

34.39

UserPoint5

23.5836

121.6 01ene2000, 02:36

37.37

UserPoint3

13.477

68 01ene2000, 02:12

32.12

R40

5.8955

27.3 01ene2000, 02:24

29.97

R150

13.477

65.2 01ene2000, 02:30

32.12

R200

17.7756

85.6 01ene2000, 02:42

34.39

R20

23.5836

111.5 01ene2000, 03:00

37.35

Outlet1

.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 56

Gráfico N°5: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR25

El caudal máximo para el TR 25 es de 122.9 m3/s y ocurre a las 2:48 horasiniciada la lluvia Para el periodo de retorno TR50 Tabla N°24: Caudales para cada elemento de la cuenca elemento

área de drenaje (KM2)

Caudal (MCS)

tiempo pico

volumen (MM)

W190

5.808

48 01ene2000, 02:12

53.63

W140

4.2986

36.5 01ene2000, 02:00

48.14

W90

5.8955

38.7 01ene2000, 01:54

35.17

W80

4.1699

33.2 01ene2000, 01:54

42.04

W60

3.4116

20.1 01ene2000, 02:12

36.39

W180

3.8796

44.3 01ene2000, 01:48

58.68

27.4632

142.5 01ene2000, 02:48

45.6

5.8955

38.7 01ene2000, 01:54

35.17

Outlet1 UserPoint2

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 57

UserPoint4

17.7756

105.5 01ene2000, 02:24

40.15

UserPoint5

23.5836

141.3 01ene2000, 02:36

43.47

UserPoint3

13.477

79.5 01ene2000, 02:12

37.6

R40

5.8955

32 01ene2000, 02:24

35.17

R150

13.477

76.3 01ene2000, 02:30

37.6

R200

17.7756

99.8 01ene2000, 02:42

40.15

R20

23.5836

129.6 01ene2000, 03:00

43.45

Gráfico N°6: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR50

El caudal máximo para el TR 50 es de 142.5 m3/s y ocurre a las 2:48 horasiniciada la lluvia

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 58

Para el periodo de retorno TR100 Tabla N°25: Caudales para cada elemento de la cuenca

elemento

área de drenaje (KM2)

Caudal (MCS)

tiempo pico

volumen (MM)

W190

5.808

56.2 01ene2000, 02:12

62.42

W140

4.2986

43 01ene2000, 02:00

56.33

W90

5.8955

46.3 01ene2000, 01:54

41.7

W80

4.1699

39.4 01ene2000, 01:54

49.5

W60

3.4116

23.9 01ene2000, 02:12

43.09

W180

3.8796

51.7 01ene2000, 01:48

67.95

27.4632

167.2 01ene2000, 02:48

53.42

UserPoint2

5.8955

46.3 01ene2000, 01:54

41.7

UserPoint4

17.7756

124.9 01ene2000, 02:24

47.33

UserPoint5

23.5836

166.3 01ene2000, 02:36

51.05

UserPoint3

13.477

94.5 01ene2000, 02:12

44.47

R40

5.8955

38.2 01ene2000, 02:24

41.7

R150

13.477

90.7 01ene2000, 02:30

44.46

R200

17.7756

118.1 01ene2000, 02:42

47.33

R20

23.5836

152.5 01ene2000, 03:00

51.02

Outlet1

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 59

Grafico N°6: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR100

El caudal máximo para el TR 50 es de 167.2 m3/s y ocurre a las 2:48 horas iniciada la lluvia Tabla N°26: Caudales picos para cada periodo de retorno en el punto de cierre Evento

Punto de cierre (m3/s)

TR25

122.9

TR50

142.5

TR100

167.2

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 60

4.8.

Análisis Hidráulico

4.8.1. Topografía La información del levantamiento topográfico se procesó mediante el software el software CIVIL 3D 2017, con el cual

se creó el eje central del cauce y las

secciones transversales para poder realizar la vinculación con HEC-RAS. Se introdujeron 26 secciones transversales a cada 20 m, el puente se encuentra situado entre los estacionamientos 0+215 y el 0+220 mientras el eje central del puente se ubicado en el estacionamiento 0+220y presenta un ancho de 8 m.

Ilustración 17: Planta del cauce

A continuación, se presenta un esquema de la sección representada en HECRAS.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 61

Puente Ostaya .0144

Plan: Plan 01 3/10/2017 .0144

.0177

38

Legend Ground Ineff

37

Bank Sta

36

Elevation (m)

35

34

33

32

31

30

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 18: sección agua arriba del puente estacionamiento 0+225

A continuación, se presenta un esquema de la sección representada en HEC-RAS Aguas abajo del puente Puente Ostaya .0144

Plan: Plan 01 3/10/2017 .0144

.0177

38

Legend Ground Ineff

37

Bank Sta

36

Elevation (m)

35

34

33

32

31

30

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 19: La sección agua abajo del puente estacionamiento 0+215

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 62

4.8.2. Características Hidráulicas del puente Esta estructura, actualmente cuenta con 48.5 metros de longitud. Es un puente de dos vías de circulación. el sistema estructural, está compuesto de 3 claros de 15, 25 y 15 metros respectivamente. Esto con el propósito de evitar construir una pila al centro, que dificultaría el paso de ramas y objetos que sean arrastrados por la corriente de agua en lluvias fuertes. RS=220

Upstream (Bridge)

38

Legend

Elevation (m)

37

Ground

36

Ineff

35

Bank Sta

34 33 32 31 30

0

20

40

60

80

RS=220

100

120

140

100

120

140

Downstream (Bridge)

38 37

Elevation (m)

36 35 34 33 32 31 30

0

20

40

60

80 Station (m)

Ilustración 20: Secciones hidráulica del puente en HEC-RAS

4.8.3. Cálculos hidráulicos 4.8.3.1.

Obtención del coeficiente de Manning 𝟏⁄ 𝟔

𝒏𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟖𝑫

El diámetro utilizado para determinar la rugosidad del cauce es el D90, que corresponde al valor promedio de los ensayos realizados a las muestras de suelos.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 63

Tabla N°26: Coeficiente de manning utilizados

D90

valor (mm)

estribo izq

3.04065

estribo dercho

3.0534

centro del cauce

10.6575

𝟏⁄ 𝟔

𝟑. 𝟎𝟒𝟎𝟔𝟓 𝒏𝟏 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟖 ∗ ( ) 𝟏𝟎𝟎𝟎

= 𝟎. 𝟎𝟏𝟒𝟒𝟔𝟑

𝟏⁄ 𝟔

𝟑. 𝟎𝟓𝟑𝟒 𝒏𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟖 ∗ ( ) 𝟏𝟎𝟎𝟎

= 𝟎. 𝟎𝟏𝟒𝟒𝟑𝟗 𝟏⁄ 𝟔

𝟏𝟎. 𝟔𝟓𝟕𝟓 𝒏𝟑 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟖 ∗ ( ) 𝟏𝟎𝟎𝟎

4.8.3.2.

= 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟕𝟗𝟖

Resultados del análisis hidráulico

3

Resultados del análisis del 𝑄 𝑚𝑖𝑛 = 122.5 𝑚 ⁄𝑠 para un tiempo de retorno de 25 años. TABLA N°27: Resultados hidráulicos del puente para un periodo de retorno de 25 años

E.G. US. (m) W.S. US. (m) Q Total (m3/s) Q Bridge (m3/s) Q Weir (m3/s) Weir Sta Lft (m) Weir Sta Rgt (m) Weir Submerg

32.8 32.51 122.5 122.5

Profile: Qmin Element E.G. Elev (m) W.S. Elev (m) Crit W.S. (m) Max Chl Dpth (m) Vel Total (m/s) Flow Area (m2) Froude # Chl

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Inside BR US 32.76 32.33 32.07 1.85

Inside BR DS 32.74 32.27 32.07 1.8

2.92 42 0.77

3.03 40.44 0.81

Página 64

Weir Max Depth (m) Min El Weir Flow (m) Min El Prs (m) Delta EG (m) Delta WS (m) BR Open Area (m2) BR Open Vel (m/s) BR Sluice Coef BR Sel Method

Specif Force (m3) 37.65

Hydr Depth (m)

36.45 0.11

W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) Top Width (m) Frctn Loss (m)

0.19 182.15 3.03

Energy only

C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)

70.21

69.37

1.46

1.42

36.17 3221.7

35.68 3053.5

28.7 0.01

28.45 0

0.01 16.46

0.05 17.89

48.02

54.19

3

Resultados del análisis del 𝑄 𝑚𝑖𝑛 = 142.5 𝑚 ⁄𝑠 para un tiempo de retorno de 50 años. TABLA N°27: Resultados hidráulicos del puente para un periodo de retorno de 50 años

E.G. US. (m) W.S. US. (m) Q Total (m3/s) Q Bridge (m3/s) Q Weir (m3/s) Weir Sta Lft (m) Weir Sta Rgt (m) Weir Submerg Weir Max Depth (m) Min El Weir Flow (m) Min El Prs (m) Delta EG (m) Delta WS (m) BR Open Area (m2) BR Open Vel (m/s)

Profile: Qdiseño 32.96 Element 32.61 142.5 142.5

E.G. Elev (m) W.S. Elev (m) Crit W.S. (m) Max Chl Dpth (m) Vel Total (m/s) Flow Area (m2) Froude # Chl Specif Force (m3)

37.65

Hydr Depth (m)

36.45 0.08

W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.15 Top Width (m) 182.15 Frctn Loss (m) 3.67

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Inside BR Inside BR US DS 32.92 32.9 32.35 32.21 32.21 32.21 1.87 1.74 3.34 3.67 42.67 38.78 0.88 1 83.3 82.61 1.48

1.38

36.38 3295.8

35.15 2875.7

28.8

28.18

C & E Loss (m)

Página 65

BR Sluice Coef BR Sel Method

Shear Total (N/m2) Momentum Power Total (N/m s)

21.5

26.57

71.8

97.61

3

Resultados del análisis del 𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 167.2 𝑚 ⁄𝑠 para un tiempo de retorno de 100 años. TABLA N°29: Resultados hidráulicos del puente para un periodo de retorno de 100 años

E.G. US. (m) W.S. US. (m) Q Total (m3/s) Q Bridge (m3/s) Q Weir (m3/s) Weir Sta Lft (m) Weir Sta Rgt (m) Weir Submerg Weir Max Depth (m) Min El Weir Flow (m) Min El Prs (m) Delta EG (m) Delta WS (m) BR Open Area (m2) BR Open Vel (m/s) BR Sluice Coef BR Sel Method

4.8.3.3.

Profile: Qmax 33.2 Element 32.81 167.2 167.2

E.G. Elev (m) W.S. Elev (m) Crit W.S. (m) Max Chl Dpth (m) Vel Total (m/s) Flow Area (m2) Froude # Chl Specif Force (m3)

37.65

Hydr Depth (m)

36.45 0.09

W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.16 Top Width (m) 182.15 Frctn Loss (m) C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Momentum Power Total (N/m s)

Inside BR Inside BR US DS 33.15 33.13 32.52 32.38 32.38 32.38 2.04 1.9 3.51 3.84 47.66 43.53 0.88 1 102.32 101.54 1.62

1.5

37.76 3865.8

36.65 3390.1

29.38

28.94

23.15

28.33

81.22

108.83

3.84

Borde libre

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 66

Para evitar daños a la súper estructura provocados por el arrastre de material solido por la corriente el borde libre se valorará de 3 m. A continuación, se presentan los perfiles de flujo obtenidos en el modelamiento en HEC-RAS Puente Ostaya

Plan: Plan 01 4/10/2017

un tramo Ostaya 38

Legend EG Qmin WS Qmin Crit Qmin Ground

36

Elevation (m)

34

32

30

28

0

100

200

300

400

500

Main Channel Distance (m)

Ilustración 21: Perfil del flujo para el caudal para un periodo de retorno de 25 años.

Puente Ostaya

Plan: Plan 01 4/10/2017

un tramo Ostaya 38

Legend EG Qdiseño WS Qdiseño Crit Qdiseño Ground

36

Elevation (m)

34

32

30

28

0

100

200

300

400

500

Main Channel Distance (m)

Ilustración 22: Perfil del flujo para el caudal para un periodo de retorno de 50 años.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 67

Puente Ostaya

Plan: Plan 01 4/10/2017

un tramo Ostaya 38

Legend EG Qmax WS Qmax Crit Qmax Ground

36

Elevation (m)

34

32

30

28

0

100

200

300

400

500

Main Channel Distance (m)

Ilustración 23: Perfil del flujo para el caudal para un periodo de retorno de 100 años.

4.8.3.4. Capacidad del puente La capacidad del puente según los caudales mínimo, de diseño y máximo se presenta a continuación

4.8.3.4.1.

Caudal mínimo

. Puente Ostaya .0144

Plan: Plan 01 4/10/2017 .0144

.0177

38

Legend EG Qmin WS Qmin

37

Crit Qmin -4 m/s -2 m/s

36

0 m/s 2 m/s 4 m/s

Elevation (m)

35

6 m/s 8 m/s Ground

34

Ineff Bank Sta

33

32

31

30

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 24: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 25 años.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 68

El nivel del agua alcanza una altura de 1.85 m con el caudal mínimo de 122.5 59.1 mcs. Lo que equivale al 30% de su capacidad dejando un borde libre de 4.12m

4.8.3.4.2.

Caudal de diseño

Puente Ostaya .0144

Plan: Plan 01 4/10/2017 .0144

.0177

38

Legend EG Qdiseño WS Qdiseño

37

Crit Qdiseño -2 m/s 0 m/s

36

2 m/s 4 m/s 6 m/s

Elevation (m)

35

8 m/s 10 m/s Ground

34

Ineff Bank Sta

33

32

31

30

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 25: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 50 años

El nivel del agua alcanza una altura de 1.87 m con el caudal de diseño de 1 122.5 142.5 mcs. Lo que equivale al 31.3% de su capacidad dejando un borde libre de 4.1m

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 69

4.8.3.4.3.

Caudal máximo

Puente Ostaya .0144

Plan: Plan 01 4/10/2017 .0144

.0177

38

Legend EG Qmax WS Qmax

37

Crit Qmax -2 m/s 0 m/s

36

2 m/s 4 m/s 6 m/s

Elevation (m)

35

8 m/s 10 m/s Ground

34

Ineff Bank Sta

33

32

31

30

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 26: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 100 años

El nivel del agua alcanza una altura de 2.02 m con el caudal máximo de 167.2 mcs, Lo que equivale al 34% de su capacidad dejando un borde libre de 3.93m

4.8.3.5. Vista en 3D del cauce en HEC-RAS Puente Ostaya

Plan: Plan 01 4/10/2017 Legend WS Qmin WS Qdiseño WS Qmax Ground Bank Sta Ineff

240 180 160 0 80

100

120

200

215.00 260

140

280

300

320 340

440

460

Ilustración 27: Vista 3D del cauce

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 70

4.8.3.6. Resultados del análisis de socavación en puente

El diámetro utilizado para determinar la socavación en los estribos es el D50, que corresponde al valor promedio de los ensayos realizados a las muestras de suelos. TABLA N°29: Diámetro de las partículas usado en el análisis de Socavación

D50(mm) estribo Sur estribo norte Centro del canal D90(mm) Centro del canal

4.8.3.6.1.

valor 9.785 9.657 8.72 valor 4.1

Caudal de Diseño

Bridge Scour RS = 220 38

Legend WS Qdiseño Ground Ineff

36

Bank Sta Contr Scour

Elevation (m)

Total Scour 34

32

30

28

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 28: Socavación producida Socavación producida en los estribos para el caudal de diseño

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 71

TABLA N°29: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 50 años

Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape: Pier Width (m): Grain Size D50 (mm): Depth Upstream (m): Velocity Upstream (m/s): K1 Nose Shape: Pier Angle: Pier Length (m): K2 Angle Coef: K3 Bed Cond Coef: Grain Size D90 (mm): K4 Armouring Coef:

Round nose

Scour Depth Ys (m): Froude #: Equation:

2.19 0.64 CSU equation

1 0.08 1.72 2.62 1 0 8 1 1.1 4.6 1

Results

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 72

4.8.3.6.2.

Caudal máximo Bridge Scour RS = 220

38

Legend WS Qmax Ground Ineff

36

Bank Sta Contr Scour

Elevation (m)

Total Scour 34

32

30

28

0

20

40

60

80

100

120

140

Station (m)

Ilustración 29: Socavación producida Socavación producida en los estribos para el caudal máximo

TABLA N°30: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 100 años Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape: Round nose Pier Width (m): 1 Grain Size D50 (mm): 0.08 Depth Upstream (m): 1.89 Velocity Upstream 2.76 (m/s): K1 Nose Shape: 1 Pier Angle: 0 Pier Length (m): 8 K2 Angle Coef: 1 K3 Bed Cond Coef: 1.1 Grain Size D90 (mm): 4.6 K4 Armouring Coef: 1 Results Scour Depth Ys (m): 2.27 Froude #: 0.64 Equation: CSU equation

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 73

V.

Conclusiones

Debido a los resultados obtenidos en la implementación de los software, ArcGis, Hec-Hms y Hec-Ras. Observamos que la cuenca tiene un área de 27.46𝐾𝑚2 , la mayor parte de las precipitaciones se infiltra debido a que no ha sido afecta la zona por el hombre en la construcción de áreas impermeabilizadas que disminuyan la capacidad de infiltración de la cuenca. Por estos factores los caudales encontrados con

ayuda de HEC-HMS, son

relativamente bajos, Siendo estos: 122.9, 142.5 y 167.2

𝑚3 𝑠𝑒𝑔

respectivamente.

Estos tres picos se dan a los 168 min iniciada la lluvia. Con estos resultados obtenidos y la geometría disponible se elaboro el primer análisis hidráulico que comprendió el análisis hidráulico y el análisis de la socavación del puente. Con el análisis hidráulico

se apreció que este rio contaba con la suficiente

capacidad para evacuar los caudales antes mencionados, ya que la superficie del agua alcanzaba un 35% de la capacidad

hidráulica que tiene la sección del

puente siendo la máxima altura alcanzada por la superficie del agua de 2.02m, cumpliendo así con el borde libre propuesto de 3mts.

Del análisis de socavación efectuado para el caudal de diseño y el máximo, se tiene como resultado que las pilas son los únicos elementos expuesto a este efecto con una profundidad máxima de 2.27mts, lo que sugiere que no necesita ninguna medida preventiva para mitigar este efecto, los estribos no se ven expuesto a tal efecto ya que la superficie del agua no logra alcanzarlos.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 74

VI.

Bibliografía

 Comunicaciones, M. d. Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje . Perú.  Mejía, N. J. (2012). Análisis Hidráulico de puente.  Mejía, N. J. (2012). Hidráulica de canales abierto tablas y graficos.  Mijares, F. J. (1992). FUNDAMENTOS. Mexico, D.F.: LIMUSA.  Ray K: Linsley, M. A. (1981). Hidrología para ingenieros . México, D.F.: Mc Graw Hill.  Ven Te Chow, D. R. (1994). Hidrológia Aplicada. Santa Fe de Bogotá: MC GRAW HILL.

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 75

VII.

Anexos

Anexo N°1: Análisis Granulométrico

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Página 76

Anexo N°2: ficha técnica puente Ostaya

Estudio Hidrotécnico del Puente Ostaya

Página 77