Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
o Benjamín Amadeo Alfaro Gutiérrez o Osmar Ayestas Hernández o Rene Antonio Cruz o Jessica del Carmen Vilchez Peña
o Msc.Nelson Lanza
o Hidrotecnia Vial
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Contenido I.
Introducción...................................................................................................... 1
II.
Objetivos .......................................................................................................... 2 2.1. Objetivo General ........................................................................................ 2 2.2. Objetivo específico. .................................................................................... 2
III.
Información de la cuenca .............................................................................. 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 de cuenca ......................................................... 3 Área de cuenca ............................................................................. 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 de cuenca ..................................................... 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 de la cuenca ........................................................ 8
3.1.1.4.1.
Tiempo de Concentración (tc) ....................................................... 8
3.1.1.4.2.
Sinuosidad de la Corriente ............................................................ 9
3.2. Parámetros hidrológicos de cuenca ......................................................... 10
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3.2.1. Precipitación ...................................................................................... 10 3.2.2. Hietograma de precipitación de diseño utilizando el método de bloques alternos. ......................................................................................................... 11 3.2.3. Método SCS para Abstracciones ...................................................... 11 3.2.4. Método de transformación de lluvia a escorrentía ............................. 15 3.2.4.1.
Hidrograma unitario del SCS .......................................................... 15
3.2.5. Tránsito de Avenidas ......................................................................... 16 3.2.5.1.
Parámetros del transito .................................................................. 19
3.3. Análisis Hidráulico. ................................................................................... 22 3.3.1. Tipos de flujos.................................................................................... 22 3.3.2. Parámetros hidráulicos para el diseño de un puente. ........................ 25 3.3.2.1.
Perfil de flujo ................................................................................... 25
3.3.2.2.
Socavación ..................................................................................... 25
3.3.3. Cálculos hidráulicos de un puente ..................................................... 26 3.3.3.1.
Cálculo de niveles de agua ............................................................ 26
3.3.3.2.
Estimación de la socavación. ......................................................... 27
3.3.3.2.1.
Socavación general ..................................................................... 28
3.3.3.2.2.
Socavación en contracción ......................................................... 28
3.3.3.2.3.
Socavación local. ........................................................................ 29
3.3.3.2.3.1. Socavación local en pilas en pilas............................................. 29 3.3.3.2.3.2. Socavación local en los estribos ............................................... 30 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
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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 ..................................................................... 45 4.4.3.1.
Uso de Suelo .................................................................................. 45
4.4.3.2.
Tipo de Suelo ................................................................................. 47
4.5. Método de transformación de lluvia a escorrentía .................................... 51 4.6.
Tránsito de Avenida ........................................................................... 52
4.7. Calculo de los caudales ........................................................................... 53 4.8. Análisis Hidráulico .................................................................................... 58 4.8.1. Topografía ......................................................................................... 58 4.8.2. Características Hidráulicas del puente .............................................. 61 4.8.3. Cálculos hidráulicos ........................................................................... 61 4.8.3.1.
Obtención del coeficiente de Manning............................................ 61
4.8.3.2.
Resultados del análisis hidráulico .................................................. 62
4.8.3.3.
Borde libre ...................................................................................... 65
4.8.3.4.
Capacidad del puente..................................................................... 66
4.8.3.4.1.
Caudal mínimo ............................................................................ 67
. ...................................................................................................................... 67 4.8.3.4.2.
Caudal de diseño ........................................................................ 67
4.8.3.4.3.
Caudal máximo ........................................................................... 68
4.8.3.5.
Vista en 3D del cauce en HEC-RAS .................................................. 69
4.8.3.6.
Resultados del análisis de socavación en puente ............................. 69
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4.8.3.6.1.
Caudal de Diseño ........................................................................ 69
4.8.3.6.2.
Caudal máximo ........................................................................... 72
4.8.4.
V.
Propuesta de diseño ............................................................................. 73
4.8.4.1.
Resultados del análisis hidráulico .................................................. 74
4.8.4.2.
Análisis de socavación en el puente .............................................. 78
Conclusiones.................................................................................................. 82
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I.
Introducción
A lo largo de la historia se ha considerado a los puentes como obras de drenaje mayor, es decir su diseño comienza desde un enfoque meramente hidráulico y no estructural. Las
experiencias del
pasado demuestran las repercusiones socioeconómicas
de la región, cuando una infraestructura importante como un puente, sufre colapso estructural por falta de mantenimiento o es seriamente afectada debido a un deslizamiento de un talud, por ausencia de obras de mitigación o diseños inadecuados El estudio hidrológico de esta cuenca tendrá como finalidad la determinación de caudales hipotéticos que se podrían presentar en esta cuenca ya que las curvas IDF utilizadas para la construcción de los hietogramas de lluvia empleando no están cerca del área de influencia de la cuenca. La elaboración del estudio hidráulico del puente tiene como finalidad determinar las dimensiones de las estructuras hidráulica en el sitio 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. Asi mismo el análisis de la socavación de la estructura no representa la realidad ya que los diámetros 90 y 50 no pertenecen al sitio ya que no se contaba con información de los estudio de suelo del puente El trabajo de investigación propuesto, estará basado en la elaboración del estudio hidrotécnico del puente del rio golondrina, ubicado en el departamento de Jinotega.
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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 GOLONDRINA.
2.2.
Objetivo específico.
Calcular los parámetros morfométricos de la cuenca del rio Golondrina, mediante la utilización del Software ArcGIS e Idrisi Selva.
Efectuar el estudio hidrológico de la cuenca del rio golondrina para la debida obtención del caudal máximo de salida en el punto de interés.
Evaluar la obra de cruce para los caudales encontrados mediante la elaboración del análisis hidráulico del puente del rio golondrina, aplicando Software HEC-RAS.
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III.
Información de la cuenca
3.1.
Análisis hidrológico de la cuenca
El estudio hidrológico de cuenca se orienta a determinar características hídricas y geomorfológicas de acuerdo a sus características de acuerdo a su aporte y el comportamiento hidrológico. 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. El estudio de las característica física de la cuenca, forman un sistema que permite una mejor visión del comportamiento hidrológico que esta tendra.
3.1.1. Morfología cuenca 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 solamente interesa el volumen total de salida sino su distribución espacial y temporal que permita tener conocimiento de las características.
3.1.1.1. 3.1.1.1.1.
Parámetros Físicos de cuenca Área de cuenca
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
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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
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
3.1.1.2.3.
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
COEFICIENTE DE MASIVIDAD (KM)
Este coeficiente representa la relación entre la elevación media de la cuenca y su superficie de la cuenca.
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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. 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 Pag. 6
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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 de cuenca
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=
∑(Ci ∗ ai) A
Dónde: Pag. 7
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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
3.1.1.3.5.
600-1220
Bajo
1221-1841
Mediano
1842-2462
alto
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
3.1.1.4. 3.1.1.4.1.
15 - 19.1
Largo
Otros parámetros de la cuenca Tiempo de Concentración (tc)
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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 de cuenca 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.
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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 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. Pag. 11
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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 =
4.2𝐶𝑁(𝐼𝐼) (3.9) 10 − 0.058𝐶𝑁(𝐼𝐼)
𝐶𝑁𝐼𝐼𝐼 =
23𝐶𝑁(𝐼𝐼) (3.10) 10 − 0.13𝐶𝑁(𝐼𝐼)
Tabla 8: Clasificación de clases antecedentes de humedad (AMC) para el método de abstracciones de lluvia del SCS Grupo AMC
Lluvia antecedente total de 5 días (pulg)
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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
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.
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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
Bosques
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
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 Pag. 14
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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. 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 tp y de la duración de la lluvia tr
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𝑇𝑃 =
𝑡𝑟 + 𝑡𝑃 2
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 avenida y los métodos Pag. 16
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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 C 0I2 y C1I1se calculan. K: es el tiempo estimado que tarda la onda de avenida en recorrer el tramo en (Horas). Pag. 17
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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 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 C201, luego los tres productos se suman para obtener 02. 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.
Es importante recordar que el método de retardo y K se basa en varias suposiciones básicas: Pag. 18
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-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 el transito incluida la velocidad de los tránsitos inmediatos anterior realizados hasta cierto punto.
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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. 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
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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 hidrógrama a transitar. 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
Pag. 21
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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 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.
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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 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
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Tabla 10: Tipos de flujo en la zona de un puente Flujo Libre
Flujo Bajo Compuerta
Flujo en Orificio
Flujo en vertedero
(Fuente: Análisis Hidráulico de puente NELAME, 2012, pág. 27 y 29)
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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. 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. Pag. 25
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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) 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. Pag. 26
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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.
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
Pag. 27
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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. 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 Pag. 28
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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 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.
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3.3.3.2.3.2. Socavación local en los estribos
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.
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IV.
Análisis de resultados
4.1.
Localización del área de estudio 4.1.1. Macro localización
El Puente Golondrina se encuentra ubicado en departamento de jinotega
Ilustración 4: macro localización puente golondrina
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4.1.2. Micro Localización
El puente en estudio se encuentra localizado en las coordenadas UTM:
Y:
1507125.31 y X: 669398.99
Ilustración 5: Micro Localización del puente
4.2.
Delimitación de la cuenca
Para determinar el área de la cuenca del rio golondrina 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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Ilustración 6: Delimitación Cuenca rio GOLONDRINA
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4.3.
Parámetros Morfométricos
Área y perímetro La cuenca antes mencionada, tiene un área de 118.41Km2, y un perímetro de 85 km estos datos se obtuvieron con el Software ArcGIS. Por su orden de tamaño puede clasificarse en el siguiente rango: 25 Km2 ≤ 118.41 Km2 ≤ 250 Km2, es una cuenca pequeña, así mismo se procedió a subdividir la cuenca en subcuencas menores a 22 km2 a continuación se presenta estas áreas: Tabla N°10: áreas de las Subcuenca del rio golondrina
NAME W70 W80 W90 W120 W170 W130 W180 Σ
Area km2 17.861 19.551 21.941 15.921 11.535 15.343 16.279 118.431
Forma de la cuenca Índice de compacidad (Kc) K c = 0.28 Rango Kc:(1.5-1.75)
85 √118.41
= 2.18
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
Coeficiente de forma Pag. 34
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Kf =
118.431 = 0.57 14.352
Rango Kf: (0.36-0.54) =moderadamente achatada Según el valor obtenido y la clasificación dada se encuentra por encima del rango de moderamente achatada. Por tanto no está sujeta a crecientes y no afecta a las características de escurrimiento de la cuenca. Coeficiente de masividad Km Km =
508.95 = 4.29 118.431
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 21.27 Km. Según la clasificación dada la longitud de cauce principal se considera larga ya que sobrepasa el límite.15.1 Km < 21.27 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 33.12 %.
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Ilustración 7: Pendiente de la cuenca del rio GOLONDRINA
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Pendiente del cauce principal Este parámetro varia durante el recorrido del cauce principal dando como resultado un promedio del 8.08° equivalentes al 18.85%; por tanto se clasifica como una fuerte
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
0.06-0.11
Moderada
0.12-0.17
Fuerte
Al determinarse que la pendiente del cauce se localiza por encima de los límites de fuerte, nos indica que las aguas que circulan por esta cuenca están siendo sometidas a grandes velocidades
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Curva Hipsométrica
Ilustración 9: Curva Hipsometrica de la cuenca del rio GOLONDRINA
Elevación media La elevación media de la cuenca es de 508.95 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. (508.95 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 CLVRGN A_KM2 P_KM EM_M PM_G PM_P KC RCI RH LC_KM LA_KM SH EMX_M
Registro Unidad 1.00 118.41 Km2 85.00 Km 508.95 msnm 17.78 ° 33.12 % 2.20 0.21 2.01 21.27 Km 14.35 Km 1.48 692.00 msnm
Descripción Cuenca hidrográfica Superficie de cuenca Perímetro de la cuenca Elevación media Pendiente media (grados) Pendiente media (porcentaje) Coeficiente de compacidad (Gravelius) Relación circular Relación hipsométrica Longitud del eje del río principal Longitud directa del río principal Coeficiente de sinuosidad hidráulico Altitud inicial
Pag. 38
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC EMN_M SC_P TC_KIRPICH TC_CHPW_H Rf Re
4.4.
291.00 8.08 3.21 3.22 0.58 0.39
msnm °
Altitud media Pendiente promedio del río principal Tiempo de concentración Kirpich Tiempo de concentración de California Highways and Public Works Índice de forma (Horton) Relación de elongación
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 W70 W80 W90 W120 W170 W130 W180
17.861 19.551 21.941 15.921 11.535 15.343 16.279
Longitud (m)
Elev Elev Max(m) Min(m)
4716.517 4752.647 5334.047 3576.394 2963.537 1918.617 979.805
307.000 358.000 330.000 353.000 347.000 381.000 371.000
Slp Tc (m/m) (hr)
286.000 307.000 307.000 330.000 330.000 353.000 347.000
0.004 0.011 0.004 0.006 0.006 0.015 0.024
0.924 0.663 1.029 0.648 0.586 0.293 0.143
4.4.2. Hietograma de Diseño En este caso se utilizó el método de bloques alternos, debido a que no se tenía información de las estaciones meteorológicas de la zona se usó las curvas IDF de la estación Condega proporcionadas en el ejemplo visto en clases Gráfico N°1: Curvas IDF estación de Rivas
Curvas IDF Estación Condega
250
200
Intensidades (mm/hr)
TR100 TR50
150
TR25 TR15
100
TR10 TR5
50
TR2 TR1.5
0 0
50
100
150TIiempo 200(min)250 Pag. 41
300
350
400
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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 Condega:
periodo de Retorno 1.5 2 5 10 15 25 50 100
5 110.56 118.04 146.32 154.09 172.54 184.69 198.64 210.87
Curvas IDF Condega periodo 1971-2003 Tiempo en Mínuto 10 15 30 87.36 72.19 47.42 96.82 81.96 55.9 120.91 103.09 71.68 128.71 110.74 78.6 145.48 125.84 89.76 156.65 136.09 97.86 170.5 149.37 108.94 183.63 162.53 120.64
60 28.08 33.9 44.75 50.4 57.3 62.94 70.77 79.26
120 15.43 18.76 25.73 29.9 33.47 36.97 41.68 46.69
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) duracion(min) INT(mm/h) prof prof(mm) tiempo tiempo acum(mm) inicial final 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
157.72 103.69 81.14 68.17 59.56 53.34 48.59 44.82 41.74 39.16 36.97 35.07
26.28 34.56 40.57 45.44 49.63 53.34 56.68 59.76 62.61 65.26 67.77 70.14
26.28 8.28 6.01 4.87 4.19 3.71 3.34 3.08 2.85 2.65 2.51 2.37
Pag. 42
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
precipitacion(mm) 2.51 2.85 3.34 4.19 6.01 26.28 8.28 4.87 3.71 3.08 2.65 2.37
360 5.48 6.56 9.68 11.89 12.76 14.17 15.83 17.35
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Gráfico N°2: Hietograma de lluvia TR25
TR25 Precipitación(mm)
30 25 20 15 TR25
10 5 0 10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
duración(mm)
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) tiempo tiempo acum(mm) inicial final 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
172.19 114 89.56 75.47 66.09 59.29 54.1 49.96 46.58 43.75 41.34 39.25
28.69 38 44.78 50.31 55.07 59.29 63.11 66.61 69.87 72.91 75.79 78.5
28.69 9.31 6.78 5.53 4.76 4.22 3.82 3.5 3.26 3.04 2.88 2.71
Pag. 43
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
precipitacion(mm) 2.88 3.26 3.82 4.76 6.78 28.69 9.31 5.53 4.22 3.5 3.04 2.71
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Gráfico N°3: Hietograma de lluvia TR50
TR50 35
Precipitación(mm)
30 25 20 15
TR50
10 5 0 10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
duración(mm)
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) tiempo tiempo acum(mm) inicial final 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
186.21 124.05 97.81 82.64 72.51 65.16 59.53 55.05 51.38 48.3 45.68 43.41
31.03 41.35 48.9 55.09 60.42 65.16 69.45 73.4 77.07 80.5 83.74 86.82
31.03 10.32 7.55 6.19 5.33 4.74 4.29 3.95 3.67 3.43 3.24 3.08
Pag. 44
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
precipitacion(mm) 3.24 3.67 4.29 5.33 7.55 31.03 10.32 6.19 4.74 3.95 3.43 3.08
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Gráfico N°4: Hietograma de lluvia TR100
TR100 35
Precipitación(mm)
30 25 20 15
TR100
10 5 0 10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
duración(mm)
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°17: Área de la cuenca del rio golondrina en dependencia del uso del suelo
DESCRIPTION Bosque latifoliado denso Bosque latifoliado ralo Pasto Cultivo permanente Vegetacion arbustiva Agua Σ
Area 35.721726 19.359722 56.545399 6.53042 0.058397 0.215063 118.430727
Pag. 45
% area 30.16 16.34 47.74 5.51 0.04 0.18 100
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Como podemos ver en la tabla N°17 el 47.74% del área de la cuenca corresponde a la cobertura de pasto, seguido por 46.5% de bosques lo que significa que la mayor parte de la precipitación se va a infiltrar (ver ilustración N°11).
Ilustración 11: Uso de suelo de la Cuenca del rio GOLONDRINA.
Pag. 46
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
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°18: Área de la cuenca del rio golondrina en dependencia del tipo de suelo
grupo hidrológico A B Σ
área %área 68.640638 57.96% 49.790119 42.04% 118.430757 100
En la cuenca solo se encuentran los grupos hidrológicos de suelo
“A” y “B” lo
que nos indica que tiene gran capacidad de infiltración siendo el grupo predominante el “A” con el 57.96% de área (ver ilustración 12).
Pag. 47
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Ilustración 12: Tipo de Suelo de la Cuenca del rio GOLONDRINA.
Pag. 48
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Tabla N°19: Número de Curva en dependencia del grupo Hidrológico DESCRIPTION Bosque latifoliado denso Bosque latifoliado ralo Pasto Cultivo permanente Vegetacion arbustiva Agua
A 25 45 49 62 35 100
B 50 66 79 71 56 100
C 70 77 86 78 70 100
D 77 83 89 81 77 100
Los datos de números de curva mostrados en la tabla 19 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.
Pag. 49
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Ilustración 13: Curva Número de la Cuenca del rio GOLONDRINA
Pag. 50
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.5.
Método de transformación de lluvia a escorrentía
Ilustración 13: camino más largo de flujo por subcuenca
Pag. 51
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
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°14) y la capacidad de retención de agua máxima. Estos valores se detallan en la siguiente tabla. Tabla N°20: Parámetros utilizados para el cálculo del BasinLag NAME W70 W80 W90 W120 W170 W130 W180
4.6.
BasinSlope (%) 30.29114341740 32.96184921260 28.20978164670 33.61387634280 34.43740463260 38.29295730590 30.49807739260
BasinCN Longest flow path (m) 52.80006408690 8814.86 52.21195602420 11865.62 58.65371704100 8692.79 50.20522689820 10015.16 50.92293548580 10298.00 45.09037780760 6783.07 57.29462814330 7506.71
BasinLag (hr) 1.76888711497 2.18307249702 1.56383052083 1.98613299933 1.97019672753 1.55418680433 1.38416690449
Tránsito de Avenida
Los parámetros del tránsito para cada rio se detallan en la siguiente tabla, ver ilustración N°6: Tabla N°21: Parámetros del tránsito Tram o R20 R40 R60 R50
Longitud 4716.51 7 5334.04 7 3576.39 4 2963.53 7
Cota alta 307.000
Cota baja 286.000
Pendient e 0.45%
Tc(hr ) 0.924
330.000
307.000
0.43%
1.029
353.000
330.000
0.64%
0.648
347.000
330.000
0.57%
0.586
Pag. 52
Vc
Vt
K(Hr)
X
n
1.41 7 1.44 0 1.53 2 1.40 4
1.69 9 1.66 5 1.82 0 1.90 4
0.77 1 0.89 0 0.54 6 0.43 2
0. 2 0. 2 0. 2 0. 2
2 2 1 1
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.7.
Calculo de los caudales
Ilustración 15: Esquema en HEC-HMS
En la ilustración N°15 se muestran los nombres de cada componente del modelo de la cuenca. Del análisis hidrológico de la cuenca del rio golondrina en HEC-HMS se obtuvo los siguientes caudales Pag. 53
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Para el periodo de retorno TR25 Tabla N°22: Caudales para cada elemento de la cuenca elemento
área de Caudal tiempo pico drenaje (MCS) (KM2) W180 16.27934 39 01ene2000, 02:30 W130 15.343326 23.1 01ene2000, 02:50 W170 11.534883 17.3 01ene2000, 03:10 W120 15.920887 23.2 01ene2000, 03:10 W90 21.940591 50 01ene2000, 02:40 W80 19.550584 28 01ene2000, 03:20 W70 17.861146 31 01ene2000, 03:00 Outlet1 118.430757 151.3 01ene2000, 04:10 UserPoint2 15.343326 23.1 01ene2000, 02:50 UserPoint3 16.27934 39 01ene2000, 02:30 J30 59.078436 97.5 01ene2000, 03:10 J35 100.569611 142.8 01ene2000, 03:30 R20 100.569611 135.7 01ene2000, 04:20 R40 59.078436 87.5 01ene2000, 04:00 R60 15.343326 21.1 01ene2000, 03:20 R50 16.27934 36.5 01ene2000, 03:00
.
Pag. 54
volumen (MM) 18.96 12.96 15.62 15.28 19.74 16.25 16.55 16.69 12.96 18.96 15.76 16.72 16.71 15.76 12.96 18.96
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Gráfico N°5: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR25
El caudal máximo para el TR 25 es de 151.3m3/s y ocurre a las 4:10 horas iniciada la lluvia Para el periodo de retorno TR50 Tabla N°23: Caudales para cada elemento de la cuenca elemento
área de Caudal tiempo pico drenaje (MCS) (KM2) W180 16.27934 47.3 01ene2000, 02:30 W130 15.343326 28.2 01ene2000, 02:50 W170 11.534883 21.1 01ene2000, 03:10 W120 15.920887 28.3 01ene2000, 03:10 W90 21.940591 60.5 01ene2000, 02:50 W80 19.550584 34.1 01ene2000, 03:20 W70 17.861146 37.8 01ene2000, 03:00 Outlet1 118.430757 184 01ene2000, 04:10 UserPoint2 15.343326 28.2 01ene2000, 02:50 Pag. 55
volumen (MM) 23.01 15.89 19.06 18.65 23.93 19.81 20.17 20.32 15.89
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC UserPoint3 16.27934 J30 59.078436 J35 100.569611 R20 100.569611 R40 59.078436 R60 15.343326 R50 16.27934
47.3 118.7 173.7 165.1 106.6 25.9 44.3
01ene2000, 02:30 01ene2000, 03:10 01ene2000, 03:30 01ene2000, 04:20 01ene2000, 04:00 01ene2000, 03:20 01ene2000, 03:00
23.01 19.21 20.36 20.35 19.21 15.89 23.01
Gráfico N°6: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR50
El caudal máximo para el TR 50 es de 184 m3/s y ocurre a las 4:10 horas iniciada la lluvia
Pag. 56
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Para el periodo de retorno TR100 Tabla N°24: Caudales para cada elemento de la cuenca elemento
área de Caudal tiempo pico drenaje (MCS) (KM2) W180 16.27934 56 01ene2000, 02:30 W130 15.343326 33.8 01ene2000, 02:50 W170 11.534883 25.2 01ene2000, 03:10 W120 15.920887 33.8 01ene2000, 03:10 W90 21.940591 71.6 01ene2000, 02:50 W80 19.550584 40.6 01ene2000, 03:20 W70 17.861146 44.9 01ene2000, 03:00 Outlet1 118.430757 218.8 01ene2000, 04:10 UserPoint2 15.343326 33.8 01ene2000, 02:50 UserPoint3 16.27934 56 01ene2000, 02:30 J30 59.078436 141.3 01ene2000, 03:10 J35 100.569611 206.5 01ene2000, 03:30 R20 100.569611 196.3 01ene2000, 04:20 R40 59.078436 126.9 01ene2000, 04:00 R60 15.343326 30.9 01ene2000, 03:20 R50 16.27934 52.5 01ene2000, 03:00
Grafico N°6: Hidrograma de Salida en el punto de cierre TR100
Pag. 57
volumen (MM) 27.3 19.03 22.73 22.25 28.35 23.6 24.01 24.18 19.03 27.3 22.9 24.22 24.21 22.89 19.03 27.3
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
El caudal máximo para el TR 100 es de 218.8 m3/s y ocurre a las 4:10 horas iniciada la lluvia Tabla N°25: Caudales picos para cada periodo de retorno en el punto de cierre
4.8.
Evento
Punto de cierre (m3/s)
TR25
151.3
TR50
184
TR100
218.8
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. La longitud total del levantamiento es de 486m, se introdujeron 51 secciones transversales a cada 10m, el puente se encuentra situado entre los
Pag. 58
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
estacionamientos 0+184 y el 0+176 mientras el eje central del puente se ubicado en el estacionamiento 0+180 y presenta un ancho de 6 m.
Ilustración 16: Planta del cauce
A continuación, se presenta un esquema de la sección representada en HECRAS.
Pag. 59
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
PUENTE GOLONDRINA .015
Plan: Plan 01
5/10/2017
.015
.015
310
Legend
308
Bank Sta
Ground Ineff
Elevation (m)
306
304
302
300
298
296
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 17: sección agua arriba del puente estacionamiento 0+184 A continuación, se presenta un esquema de la sección representada en HEC-RAS Aguas abajo del puente PUENTE GOLONDRINA .015
Plan: Plan 01
5/10/2017
.015
.015
310
Legend
308
Bank Sta
Ground Ineff
Elevation (m)
306
304
302
300
298
296
0
20
40
60
80
Station (m)
Ilustración 18: La sección agua abajo del puente estacionamiento 0+176
Pag. 60
100
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.2. Características Hidráulicas del puente Esta estructura tiene un claro de 50 metros de longitud. Es un puente de dos vías de circulación. el sistema estructural, está compuesto de 2 claros de 20 y 30 metros respectivamente. RS=180
Upstream (Bridge)
310
Legend
308
Ground Ineff
Elevation (m)
306
Bank Sta
304 302 300 298 296
0
20
40
RS=180
60
80
100
60
80
100
Downstream (Bridge)
310 308
Elevation (m)
306 304 302 300 298 296
0
20
40 Station (m)
Ilustración 19: Secciones hidráulica del puente en HEC-RAS
4.8.3. Cálculos hidráulicos 4.8.3.1.
Obtención del coeficiente de Manning
El valor utilizado para el coeficiente de rugosidad fue de 0.015 para todo el rio, este valor se usó para el margen izquierdo, derecho y centro del canal.
Pag. 61
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.3.2.
Resultados del análisis hidráulico
3
Resultados del análisis del 𝑄 𝑚𝑖𝑛 = 151.3 𝑚 ⁄𝑠 para un tiempo de retorno de 25 años. TABLA N°26: 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 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
Profile: TR25 303.79 Element 303.77 151.3 151.3
305
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) Hydr Depth (m)
304 0
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.01 Top Width (m) 210.1 Frctn Loss (m) 0.76
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Pag. 62
Inside BR Inside BR US DS 303.79 303.78 303.77 303.75 298.89 300 7.2 6.48 0.6 0.76 252.8 198.07 0.07 0.1 724.92 468.69 5.16
4.04
68.95 40072.4
65.11 27723.6
49.01 0
49.01 0
0 0.51
0 0.89
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC BR Sel Method
Energy only
Power Total (N/m s)
0.31
0.68
3
Resultados del análisis del 𝑄 𝑚𝑖𝑛 = 184 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) BR Sluice Coef BR Sel Method
Profile: TR50 304.09 Element 304.07 184 184
305
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) Hydr Depth (m)
304 0
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.01 Top Width (m) 210.1 Frctn Loss (m) 0.88
Energy only
Inside BR Inside BR US DS 304.09 304.09 304.06 304.05 299.1 300.22 7.5 6.77 0.7 0.88 264.2 210.1 0.08 0.11 805.37 533.13
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)
118.88 29995.9
115.09 20920.9
0
0
0 0.82
0 1.38
0.57
1.21
3 Resultados del análisis del 𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 218.8 𝑚 ⁄𝑠 para un tiempo de retorno de 100
años.
Pag. 63
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
TABLA N°28: 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
Profile: TR100 304.37 Element 304.34 218.8 218.8
305
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) Hydr Depth (m)
304 0.01
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.02 Top Width (m) 210.1 Frctn Loss (m) 1.04
Energy only
Inside BR Inside BR US DS 304.37 304.37 304.33 304.31 299.32 300.45 7.77 7.03 0.83 1.04 264.2 210.1 0.09 0.13 882.34 595.45
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)
Pag. 64
118.88 29995.9
115.09 20920.9
0
0
0 1.16
0.01 1.96
0.96
2.04
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.3.3.
Borde libre
Para evitar daños a la súper estructura provocados por el arrastre de material solido por la corriente el borde libre se valorará de 2.5m. A continuación, se presentan los perfiles de flujo obtenidos en el modelamiento en HEC-RAS PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 01
5/10/2017
GOLONDRINA EJE RIO 315
Legend EG TR25 WS TR25 Crit TR25 Ground
310
Elevation (m)
305
300
295
290
0
100
200
300
400
Main Channel Distance (m)
Ilustración 20: Perfil del flujo para el caudal para un periodo de retorno de 25 años.
Pag. 65
500
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 01
5/10/2017
GOLONDRINA EJE RIO 315
Legend EG TR50 WS TR50 Crit TR50 Ground
310
Elevation (m)
305
300
295
290
0
100
200
300
400
500
Main Channel Distance (m)
Ilustración 21: Perfil del flujo para el caudal para un periodo de retorno de 50 años.
PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 01
5/10/2017
GOLONDRINA EJE RIO 315
Legend EG TR100 WS TR100 Crit TR100 Ground
310
Elevation (m)
305
300
295
290
0
100
200
300
400
500
Main Channel Distance (m)
Ilustración 22: 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 Pag. 66
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.3.4.1.
Caudal mínimo
. PUENTE GOLONDRINA .015
Plan: Plan 01
5/10/2017
.015
.015
310
Legend EG TR25 WS TR25 Crit TR25
308
Ground Ineff Bank Sta
Elevation (m)
306
304
302
300
298
296
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 23: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 25 años.
El nivel del agua alcanza una altura de 7.20 m con el caudal mínimo de 151.3 mcs. Lo que equivale al 99.9% de su capacidad dejando un borde libre de 0.21m
4.8.3.4.2.
Caudal de diseño PUENTE GOLONDRINA
.015
Plan: Plan 01
5/10/2017
.015
.015
310
Legend EG TR50 WS TR50 Crit TR50
308
Ground Ineff Bank Sta
Elevation (m)
306
304
302
300
298
296
0
20
40
60
80
Station (m)
Ilustración 24: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 50 años
Pag. 67
100
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
El nivel del agua alcanza una altura de 7.5 m con el caudal de diseño de 184 mcs. Lo que equivale al 100.03% de su capacidad, es excedida
0.09% lo que deja en
peligro a la estructura debido al arrastre de material por la corriente.
4.8.3.4.3.
Caudal máximo PUENTE GOLONDRINA
.015
Plan: Plan 01
5/10/2017
.015
.015
310
Legend EG TR100 WS TR100 Crit TR100
308
Ground Ineff Bank Sta
Elevation (m)
306
304
302
300
298
296
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 25: Capacidad del puente para un periodo de retorno de 100 años El nivel del agua alcanza una altura de 7.77 m con el caudal máximo de 218 mcs, Lo que equivale al 100.12% de su capacidad, siendo excedida en el 0.12% lo que deja en peligro a la estructura debido al arrastre de material por la corriente.
Pag. 68
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.3.5. Vista en 3D del cauce en HEC-RAS PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 01
5/10/2017
0
Legend 20 WS TR25
30
WS TR50
50
WS TR100 60
Ground 70
Bank Sta Ineff 80 486.93 470 480
90 460
110 100 450
120 440 160
430
130 140
420
176.00
400
150 184.00 190 210 230
380 370 360 250
350 270340 320
Ilustración 26: Vista 3D del cauce
4.8.3.6. Resultados del análisis de socavación en puente
El diámetro utilizado para determinar la socavación en estribo y pilas es un valor estimado ya que no se contaban con información del estudio de suelo del puente. 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.
Caudal de Diseño
Pag. 69
valor 22.91 22.92 22.93 valor 47.92
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Bridge Scour RS = 180 310
Legend WS TR50
308
Ground
306
Bank Sta
Ineff
Total Scour
Elevation (m)
304
302
300
298
296
294
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 14: Socavación producida Socavación producida en los estribos para el caudal de diseño
TABLA N°30: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 50 años Hydraulic Design Data Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape:
Round nose
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: Results Pag. 70
1 22.93 5.38 0.66 1 0 6 1 1.1 47.92 0.4
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Scour Depth Ys (m): Froude #: Equation:
0.56 0.09 CSU equation
Abutment Scour Left
Right
Input Data Station at Toe (m): Toe Sta at appr (m): Abutment Length (m): Depth at Toe (m): K1 Shape Coef: Degree of Skew (degrees): K2 Skew Coef: Projected Length L' (m): Avg Depth Obstructed Ya (m): Flow Obstructed Qe (m3/s): Area Obstructed Ae (m2):
19.98 15.68 13.54 1.8 1.00 - Vertical abutment 90 1 13.54 2.46 14.51 33.39
70.05 72.75 8.86 3.94
Scour Depth Ys (m): Qe/Ae = Ve: Froude #: Equation:
5.11 5.89 0.43 0.47 0.09 0.08 Froehlich Froehlich
90 1 8.86 3.39 14 30.08
Results
Pag. 71
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.3.6.2.
Caudal máximo Bridge Scour RS = 180
310
Legend WS TR100
308
Ground Ineff
306
Bank Sta Total Scour
Elevation (m)
304
302
300
298
296
294
292
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 28: Socavación producida Socavación producida en los estribos para el caudal máximo
TABLA N°31: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 100 años Hydraulic Design Data Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape: Round nose Pier Width (m): 1 Grain Size D50 (mm): 22.93 Depth Upstream (m): 5.66 Velocity Upstream (m/s): 0.74 K1 Nose Shape: 1 Pier Angle: 0 Pier Length (m): 6 K2 Angle Coef: 1 K3 Bed Cond Coef: 1.1 Grain Size D90 (mm): 47.92 K4 Armouring Coef: 0.4 Results Scour Depth Ys (m): Froude #: Pag. 72
0.6 0.1
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Equation:
CSU equation
Abutment Scour Left
Right
Input Data Station at Toe (m): Toe Sta at appr (m): Abutment Length (m): Depth at Toe (m): K1 Shape Coef: Degree of Skew (degrees): K2 Skew Coef: Projected Length L' (m): Avg Depth Obstructed Ya (m): Flow Obstructed Qe (m3/s): Area Obstructed Ae (m2):
19.98 15.68 15.08 2.08 1.00 - Vertical abutment 90 1 15.08 2.48
70.05 72.75 9.47 4.22
90 1 9.47 3.45
17.67
16.81
37.37
32.63
Results Scour Depth Ys (m): Qe/Ae = Ve: Froude #: Equation:
5.41 6.21 0.47 0.52 0.1 0.09 Froehlich Froehlich
4.8.4. Propuesta de diseño Debido a que para los eventos analizados el caudal sobre pasa la altura de la cuerda inferior del puente haciendo que este trabaje como un orificio estando expuesto al material que es arrastrado por la corriente
se tiene que aumentar la altura del
puente siendo la propuesta de 3m A continuación se presentan los resultados obtenidos de este análisis
Pag. 73
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.4.1.
Resultados del análisis hidráulico
TABLA N°32: 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 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
Profile: TR25 303.79 Element 303.77 151.3 151.3
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)
308.37
Hydr Depth (m)
307.37 0
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.01 Top Width (m) 376.22 Frctn Loss (m) 0.76
Energy only
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)
Pag. 74
Inside BR Inside BR US DS 303.79 303.78 303.77 303.75 298.88 300 7.2 6.48 0.6 0.76 253.73 198.53 0.07 0.1 726.47 469.05 5.15
4.03
69.24 40204.5
65.39 27752
49.29 0
49.3 0
0 0.51
0 0.89
0.3
0.67
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
TABLA N°33: Resultados hidráulicos del puente para un periodo de retorno de 50 años Profile: TR50 Element
E.G. US. (m)
304.09
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)
304.06 184 184
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)
308.37
Hydr Depth (m)
Delta WS (m) BR Open Area (m2) BR Open Vel (m/s) BR Sluice Coef BR Sel Method
307.37 0
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.02 Top Width (m) 376.22 Frctn Loss (m) 0.86
Energy only
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)
Inside BR Inside BR US DS 304.09 304.08 304.06 304.05 299.11 300.23 7.5 6.77 0.69 0.86 268.2 212.86 0.08 0.11 806.78 533.32 5.44
4.32
70.42 43606.8
66.55 30805.7
49.27 0
49.27 0
0 0.66
0 1.12
0.46
0.97
TABLA N°34: 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)
Profile: TR100 304.36 Element 304.34 218.8 218.8
E.G. Elev (m) W.S. Elev (m) Crit W.S. (m) Max Chl Dpth (m) Vel Total (m/s) Flow Area (m2) Pag. 75
Inside BR Inside BR US DS 304.36 304.36 304.33 304.31 299.32 300.45 7.77 7.04 0.78 0.97 281.56 226.06
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC 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
Froude # Chl Specif Force (m3) 308.37
Hydr Depth (m)
307.37 0
W.P. Total (m) Conv. Total (m3/s) 0.02 Top Width (m) 376.22 Frctn Loss (m) 0.97
Energy only
C & E Loss (m) Shear Total (N/m2) Power Total (N/m s)
0.09 885.81
0.12 597.53
5.72
4.59
71.5 46807.7
67.62 33695.3
49.25 0
49.25 0
0 0.84
0 1.38
0.66
1.34
Los demás resultados hidráulicos se presentan a continuación para los tres periodos de retorno analizados PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 02
6/10/2017
GOLONDRINA EJE RIO 315
Legend EG TR100 EG TR50 EG TR25 WS TR100
310
Crit TR100 Crit TR50 WS TR50 WS TR25 Crit TR25 Ground
Elevation (m)
305
300
295
290
0
100
200
300
400
Main Channel Distance (m)
Ilustración 29: perfiles de flujo para los diferentes periodos de retorno analisados
Pag. 76
500
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
PUENTE GOLONDRINA .015
Plan: Plan 02
6/10/2017
.015
.015
310
Legend EG TR100 WS TR100 EG TR50
308
WS TR50 EG TR25 WS TR25 306
Crit TR100 Crit TR50
Elevation (m)
Crit TR25 304
Ground Ineff Bank Sta
302
300
298
296
0
20
40
60
80
100
Station (m)
Ilustración 30: Capacidad del puente para los periodos de retorno analizados
Para el caudal mínimo la sección del puente trabaja al 80.75% de su capacidad, para el caudal de diseño al 80.81% de su capacidad y para el máximo 80.89% de su capacidad, estos perfiles mantienen la misma elevación de la superficie del agua que el análisis anterior.
PUENTE GOLONDRINA
Plan: Plan 02
6/10/2017 Legend WS TR25 WS TR50
0
20
WS TR100 30
Ground
50
Bank Sta 60
Ineff
70
486.93 470 480 80 460
90
450 110 100
440 160
120
430 400
176.00
380
420
184.00 370
200 230
130 150
360 250 350 330
Ilustración 31: Vista 3D del cauce
Pag. 77
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
4.8.4.2.
Análisis de socavación en el puente
Caudal de diseño Bridge Scour RS = 180 310
Legend WS TR50
308
Ground
306
Bank Sta
Ineff
Contr Scour Total Scour
Elevation (m)
304
302
300
298
296
294
0
20
40
60
80
100
Station (m)
TABLA N°34: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 50 años Hydraulic Design Data Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape: Round nose Pier Width (m): 1 Grain Size D50 (mm): 22.92 Depth Upstream (m): 5.38 Velocity Upstream (m/s): 0.66 K1 Nose Shape: 1 Pier Angle: 0 Pier Length (m): 6 K2 Angle Coef: 1 K3 Bed Cond Coef: 1.1 Grain Size D90 (mm): 47.92 K4 Armouring Coef: 0.4
Pag. 78
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Results Scour Depth Ys (m): Froude #: Equation:
0.56 0.09 CSU equation
Abutment Scour Left
Right
Input Data Station at Toe (m): Toe Sta at appr (m): Abutment Length (m): Depth at Toe (m): K1 Shape Coef: Degree of Skew (degrees): K2 Skew Coef: Projected Length L' (m): Avg Depth Obstructed Ya (m): Flow Obstructed Qe (m3/s): Area Obstructed Ae (m2):
19.92 15.62 13.48 1.79 1.00 - Vertical abutment 90 1 13.48 2.45
70.17 72.86 8.74 3.91
90 1 8.74 3.37
14.35
13.69
33.05
29.44
Results Scour Depth Ys (m): Qe/Ae = Ve: Froude #: Equation:
Pag. 79
5.09 5.86 0.43 0.47 0.09 0.08 Froehlich Froehlich
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
Caudal Máximo Bridge Scour RS = 180 310
Legend WS TR100
308
Ground
306
Bank Sta
Ineff
Contr Scour Total Scour
Elevation (m)
304
302
300
298
296
294
0
20
40
60
80
100
Station (m)
TABLA N°35: Resultados del análisis de socavación para un periodo de retorno de 50 años Hydraulic Design Data Pier Scour All piers have the same scour depth Input Data Pier Shape: Round nose Pier Width (m): 1 Grain Size D50 (mm): 22.93 Depth Upstream (m): 5.65 Velocity Upstream (m/s): 0.74 K1 Nose Shape: 1 Pier Angle: 0 Pier Length (m): 6 K2 Angle Coef: 1 K3 Bed Cond Coef: 1.1 Grain Size D90 (mm): 47.92 K4 Armouring Coef: 0.4 Results Scour Depth Ys (m): Froude #: Pag. 80
0.6 0.1
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC Equation:
CSU equation
Abutment Scour Left
Right
Input Data Station at Toe (m): Toe Sta at appr (m): Abutment Length (m): Depth at Toe (m): K1 Shape Coef: Degree of Skew (degrees): K2 Skew Coef: Projected Length L' (m): Avg Depth Obstructed Ya (m): Flow Obstructed Qe (m3/s): Area Obstructed Ae (m2):
19.92 15.62 14.99 2.06 1.00 - Vertical abutment 90 1 14.99 2.47
70.17 72.86 9.34 4.18
90 1 9.34 3.42
17.48
16.44
36.97
31.93
Results Scour Depth Ys (m): Qe/Ae = Ve: Froude #: Equation:
Pag. 81
5.39 6.15 0.47 0.51 0.1 0.09 Froehlich Froehlich
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
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 118.41𝐾𝑚2 , 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 relativamente bajos, Siendo estos: 151.3,184 y 218.8
ayuda de HEC-HMS, son 𝑚3 𝑠𝑒𝑔
respectivamente. Estos
tres picos se dan a los 250 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 que la sección hidráulica de este puente no contaba con la suficiente capacidad para estos caudales ya que para el caudal minimo trabajaba como un canal pero al 99.9% de su capacidad, mientras que para el máximo y el diseño trabajaba como un orificio.
Del análisis de socavación efectuado para el caudal de diseño y el máximo, se tiene como resultado que para el caudal de diseño la profundidad de socavación es de 0.56m para la pila, mientras que en los estribos en el izquierdo es de 5.11 m y en el derecho es de 5.89m. Para el caudal máximo la profundidad de socavación es de 0.6m para la pila, mientras que en los estribos en el izquierdo es de 5.41 m y en el derecho es de 6.21m. Debido a esto se propuso aumentar la altura del puente a tres metro en este análisis se tuvo como resultado que el puente trabajaba como un canal para los tres
Pag. 82
Trabajo final del curso Hidrotecnia Vial - UCC
caudales analizados siendo la capacidad máxima de 81% a la que trabaja con una profundidad máxima de flujo de 7.7m
Los resultados hidráulicos y de socavación son los mismos resultados que se obtuvieron en el primer análisis con la variedad de que el puente cuenta con un borde libre para evacuar el arrastre de objectos por la corriente sin peligro para la estructura. Hay que destacar que el análisis de socavación no refleja los resultados reales ya que no se contaba con la granulometría del sitio donde se colocara el puente asi mismo los hietogramas de lluvias contruidos con las IDF no están cerca del área de influencia de nuestra cuenca.
Pag. 83