• Author / Uploaded
• Ernesto Chacacanta Estrada

• Categories
• Cuenca de drenaje
• Precipitación
• Río
• Descarga (hidrología)
• Hidrología

Citation preview

ESTUDIO DE HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA PROYECTO: MEJORAMIENTO CAMINO VECINAL LA JOYA-CHONTAINFIERNO

CALCULO DEL CAUDAL DE AVENIDA MÁXIMA

Cusco, julio 2008.

ESTUDIO DE HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA PUENTES LA JOYA-CHONTA-INFIERNO 1. INTRODUCCIÓN

La finalidad del estudio Hidrológico es determinar la magnitud de eventos extremos, proyectados para una probabilidad de ocurrencia establecida con incidencia sobre las crecidas de los caudales que discurren por el cauce de una cuenca, haciendo uso en este caso de modelos empíricos adecuados, debido a la carencia de información de caudales, los cuales se establecerán a través del análisis de precipitaciones máximas de estaciones representativas y las características hidrogeomorfológicas de la cuenca. A partir de los caudales así determinados, se procederá a realizar el estudio de hidráulica fluvial en base a las características físicas y de flujo del cauce, para establecer la altura segura a la que deberá instalarse la superestructura; así como precisar la profundidad de erosión o socavación para plantear los niveles seguros para la cimentación o construcción de las obras de defensa ribereña si fuesen necesarias. 2. OBJETIVOS DEL ESTUDIO

Establecer los caudales de diseño, como consecuencia de la comparación de los valores hallados en los análisis de eventos extremos y los caudales deducidos u observados.  Determinar el dimensionamiento adecuado de la estructura del puente, que garantice la estabilidad de los estribos y la separación entre el nivel máximo de aguas extraordinarias y la superestructura.  Establecer los efectos generados por la presencia de la subestructura del puente en el régimen hidráulico del río. 

3. MAXIMAS AVENIDAS DE LAS CUENCAS 3.1. UBICACIÓN POLÍTICA

Región : Madre de Dios Departamento : Madre de Dios Provincia : Tambopata Distrito : Tambopata Centros poblados : Puerto Maldonado

3.2. UBICACIÓN HIDROGRÁFICA

Cuenca: Río Chonta 3.3

INFORMACION PRELIMINAR

Estas cuencas pertenecen a la cuenca mayor del río Madre de Dios; su característica ecológica predominante es el bosque tropical. El proyecto de los puentes, se encuentra ubicados en 8 quebradas y dos ríos, a una altitud de 185 msnm, en general en la parte alta el río discurre en forma torrentosa debido a la fuerte pendiente y en la parte baja es el flujo es tranquilo por la baja pendiente, incluyendo en donde se proyecta la obra, con la presencia predominante en el fondo de arenas, las riberas son bajas formando zonas de inundación. El régimen hídrico de estos ríos siguen la tendencia de la presencia de las lluvias, habiendo una época de crecidas entre los meses de noviembre a marzo y de vaciante de abril a octubre, las máximas crecidas se dan con mayor probabilidad en los meses de enero a marzo y de alta intensidad, por la naturaleza geomorfológica de la cuenca se esperan crecidas retardadas. En este espacio la precipitación aumenta conforme disminuye la altitud. Las características de la zona en estudio son: Piso ecológico

: Selva baja

Zona de vida

: Bosque húmedo tropical

Precipitación media anual

: 6513.6 mm

Temperatura media anual

: 25.0 ºC

3.2. CARACTERISTICAS FISICAS Y MORFOLOGICAS DE LAS CUENCAS

Son parámetros que cuantifican la configuración física y morfológica de la cuenca; en seguida se detallan los parámetros considerados para este análisis (El anexo 01 muestra en detalle la obtención de estos valores). 3.2.1. SUPERFICIE DE LA CUENCA

Se refiere al área proyectada sobre un plano horizontal, medida dentro de los límites de la cuenca siguiendo la línea de divortium acuarium.

3.2.2. PERIMETRO DE LA CUENCA

Es el contorno que delimita el área de la cuenca, igual a la longitud de la línea de divortium acuarum. 3.2.3. ALTITUD MEDIA DE LA CUENCA

La altitud media de una cuenca es aquella para la cual el 50 % del área de la cuenca esta situado por encima y el 50 % esta situada por debajo; se determina a partir de la curva hipsométrica. (Ver anexo 3) 3.3. CARACTERISTICAS DEL RIO EN EL TRAMO DE INTERES 3.3.1. GEOMETRIA Y CARACTERISTICAS HIDRAULICAS

Describe de manera genérica el carácter del río como curso de agua de la cuenca, con parámetros sencillos como: Ancho del cauce principal del río Ancho de inundación Inclinación de los taludes del cauce principal respecto a la horizontal mayor= 20º Pendiente del tramo 3.3.2. PATRON DE ALINEAMIENTO DEL CAUCE NATURAL

Tomando en consideración que estos ríos aguas arriba del puente su cauce en general es recto forman curvas y contracurvas cortas y frecuentes en su recorrido, con presencia de sólidos de arenas gruesas, indicativo de la baja pendiente de su cauce y por lo tanto de baja energía de transporte, por lo cual es calificado como río lento y semimeandrico. 4.

RECOPILACION DE INFORMACION RELEVANTE

Como insumos para la realización del análisis se requiere de información que tenga relación con el carácter y requerimientos del estudio, haciéndose necesaria una etapa de recopilación de datos y antecedentes; para luego evaluarlos y validarlos hasta hacerlos utilizables. 4.1. FUENTES DE INFORMACION

La información utilizada para la realización del análisis Hidrológico e hidráulico para la zona en estudio, ha sido obtenida de documentos correspondientes a las siguientes instituciones:



Ministerio de Agricultura.



Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI).



Instituto Geológico Minero Metalúrgico INGEMMET del Perú.



Estudios afines ejecutados en la zona (perfil de proyecto).

4.2. CARTOGRAFIA

El acopio de información Cartográfica se eligió siguiendo los criterios básicos de ubicación, orografía, altitud, etc. Habiéndose contado con las cartas nacionales de escala 1:25,000 de los cuadrantes que involucran el ámbito en estudio. La información así obtenida, ha sido trasladada a una base gráfica digital para poder delimitar el área de escurrimiento de cada uno de las quebradas y ríos en donde se ubicaran los puentes; información necesaria para el análisis. 4.3. HIDROMETEOROLOGÍA

Las estaciones utilizadas para establecer la red Hidrometeorológica y desarrollar el estudio, se detallan a continuación:

CUADRO Nº 1.

ESTACIONES METEREOLOGICAS EST.

DEPART.

PROV.

DIST.

ALT

LAT

Iñapari

Mdre de Dios

Tahumanu

Iñapari

281

10

Puerto Maldonado

Mdre de Dios

Tahumanu

Tambopata

256

12 o

o

57’ 21” 69

LOG 34’

40”

35’ 22” 69 o 12’

18”

o

Fuente: SENAMHI

4.3.1. TRATAMIENTO DE LA INFORMACION HIDROMETEOROLÓGICA

Este tratamiento consiste en efectuar un minucioso análisis sobre los registros que se tienen, para poder eliminar aquellos valores que no son confiables y en algunos casos completar los valores faltantes o extender dicha información para así uniformizar el periodo de tiempo que abarcan los datos en las estaciones que se consideren dentro del análisis. Para poder determinar si un dato es confiable o no, se realiza un análisis de consistencia de la información disponible, que por medio de criterios físicos y estadísticos; nos permiten identificar, cuantificar y eliminar; los posibles errores que se hayan producido, ya sea por causas naturales o por factores humanos.

4.3.2. REGISTROS DE ORIGEN Para la conformación de la red de estaciones se seleccionaron las siguientes: PARÁMETRO ESTACIÓN

PP

T0

PRECIP MAX 24H

Iñapari

x

x

Puerto Maldonado

x

x

x x

4.3.3. ANALISIS DE CONSISTENCIA GRAFICO (CURVA DOBLE MASA).

Identifica visualmente cambios significativos a través del tiempo en la variable analizada; es decir, saltos o tendencia en la pendiente de la recta dibujada. Pudiendo además observar el comportamiento del conjunto de estaciones. Se basa en el hecho de que estaciones de una zona homogénea con respecto a la variable que se analiza, deben registrar un régimen similar. Este método de análisis de datos, también sirve para la determinación de la Estación índice; que servirá de patrón para completar y corregir la información de las demás estaciones, pues los datos de esta estación deberán poseer consistencia, longitud y continuidad en el registro. La curva Masa de la red de estaciones mostrada en el anexo 03, define a la estación de Puerto Maldonado como la más adecuada para hacer las veces de Estación base. 5. METODOS DE ESTIMACION DE LAS AVENIDAS MAXIMAS

Para la estimación de las avenidas máximas se utilizaron los siguientes métodos: 

Método Hidrológico – U.S. Soil Conservation Service



Método de observación directa de campo

5.1. MÉTODO HIDROLÓGICO – U.S.SOIL CONSERVATION SERVICE

Este método tiene como objetivo la reconstrucción matemática del proceso o fenómeno de la formación de la avenida. Se estiman precipitaciones pluviométricas de duración y periodo de retorno determinado y dentro de lo probable, se calcula el escurrimiento que se genera en un punto de la corriente estudiada, hasta llegar a dibujar el probable hidrograma.

Este método tiene la ventaja de permitir reproducir aceptablemente el fenómeno, en base a la estimación de diversos parámetros, como son las precipitaciones máximas y las características físicas de la cuenca. 5.2. DETERMINACION DE LA PRECIPITACIONES MAXIMAS DE 24 HORAS PARA LA CUENCA

Para el calcular el caudal máximo de avenida para un período determinado, se toma como referencias las alturas máximas de precipitación que cayeron sobre la cuenca en los últimos 12 años de observación, datos que han sido obtenidos del Servicio Nacional de Hidrología y Metereología de las estaciones de Puerto Maldonado e Iñapari que son las más representativas de la cuenca. Para obtener la precipitaciones máximas de 24 horas para altura media de la cuenca es necesario correlacionar un mínimo de tres estaciones la cual no se cuenta; por tal motivo, en base a las dos estaciones mencionadas se ha tomado las mayores precipitaciones para cada año, datos que nos permiten tener una mayor seguridad para la altura de los puentes. CUADRO Nº 2.

PRECIPITACIONES MAXIMAS – ESTACION PUERTO AÑO

P MAX 24 H

N°

PERIODO

CRONOLOG

1996-2007 1996

P(mm)

1 2

1997

76.90

3

1998

76.90

4

1999

75.80

5

2000

107.50

6

2001

158.90

7

2002

94.70

8

2003

153.80 113.00

80.00

9

2004

10

2005

78.00

11

2006

120.30

12

2007

80.50

Fuente : Servicio Nacional de hidrología y Metereología

5.3. DETERMINACION DE LA PRECIPITACIONES MAXIMAS PARA DIVERSOS PERIODOS DE RECURRENCIA

El valor máximo que la altura de lluvia puede alcanzar en un tiempo “t” , para un período asignado Tr, en un punto ubicado en una altitud igual a la altitud media H de la cuenca , se calcula por el método de la curva asintótica o ajuste de Gumbel. De los datos X de las precipitaciones máximas diarias encontradas, obtenemos los datos que aparecen en el siguiente cuadro.

CUADRO Nº 3.

AJUSTES DE GUMBEL PARA DATOS DEL RIO TAHUAMANU AÑO

P MAX 24 H

PERIODO

CRONOLOG

xi

1

2001-2002 1996

80.00

90.90

39.00

-21.36

456.18

2

1997

76.90

50.80

19.50

-24.46

598.21

3

1998

76.90

45.00

13.00

-24.46

598.21

4

1999

75.80

39.70

9.75

-25.56

653.23

5

2000

107.50

39.50

7.80

6.14

37.72

6

2001

158.90

38.40

6.50

57.54

3311.04

7

2002

94.70

37.40

5.57

-6.66

44.33

8

2003

153.80

36.15

4.88

52.44

2750.13

9

2004

113.00

35.40

4.33

11.64

135.53

10

2005

78.00

33.60

3.90

-23.36

545.61

11

2006

120.30

33.50

3.55

18.94

358.79

12

2007

80.50

32.70

3.25

-20.86

N°

(n+1)/m

101.36

(xi-x)2

xi-x

435.07 9924.05

Donde: n

:Número de años de registros

m máximo

: Número de orden correspondiendo m = 1 al valor

Xi

: Valores observados

X

: Valor medio aritmético

_

x=

∑ Xi = 101.36 n

L a desviación estándar: −

∑ ( Xi − X

σx =

=

n −1

9924.05 = 30.00 11

De los cuadros siguientes obtenemos Ớn e Yn, Cantidades teóricas que son únicamente funciones del tamaño de la muestra n. CUADRO Nº 4.

VALORES DE Yn Y Ớn EN FUNCION DE n 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.495

0.500

0.504

0.507

0.510

0.512

0.516

0.518

0.520

0.522

20

0.524

0.525

0.527

0.528

0.530

0.531

0.532

0.533

0.534

0.535

30

0.536

0.537

0.538

0.539

0.540

0.540

0.541

0.542

0.542

0.543

40

0.544

0.544

0.545

0.546

0.546

0.546

0.547

0.547

0.548

0.548

50

0.549

0.549

0.549

0.550

0.550

0.550

0.551

0.551

0.552

0.552

60

0.552

0.552

0.553

0.553

0.553

0.554

0.554

0.554

0.554

0.555

70

0.555

0.555

0.555

0.556

0.556

0.556

0.556

0.556

0.667

0.557

80

0.557

0.557

0.557

0.557

0.558

0.558

0.558

0.558

0.558

0.559

90

0.559

0.559

0.559

0.559

0.559

0.560

0.560

0.560

0.560

0.560

100

0.560

CUADRO Nº 5.

DESVIACIÓN ESTANDAR REDUCIDA Ớn

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.950

0.968

0.983

0.997

1.010

1.021

1.032

1.041

1.049

1.056

20

1.063

1.070

1.075

1.081

1.086

1.092

1.096

1.100

1.105

1.108

30

1.112

1.116

1.119

1.123

1.125

1.128

1.131

1.134

1.136

1.138

40

1.141

1.144

1.146

1.148

1.150

1.152

1.154

1.157

1.158

1.159

50

1.161

1.162

1.164

1.166

1.167

1.168

1.170

1.172

1.172

1.173

60

1.175

1.176

1.177

1.178

1.179

1.180

1.181

1.182

1.183

1.184

70

1.185

1.186

1.187

1.188

1.189

1.190

1.191

1.192

1.192

1.193

80

1.194

1.195

1.195

1.196

1.197

1.197

1.198

1.199

1.199

1.200

90

1.201

1.201

1.202

1.203

1.203

1.204

1.204

1.205

1.205

1.206

100

1.207

Finalmente, la ecuación para determinar el valor máximo probable para un período determinado es: −

σ X i = X + x (Y − Yn ) σy

(1)

Los valores de Y, se obtiene en función del período de retorno Tr según el cuadro siguiente:

CUADRO Nº 6.

“Y” EN FUNCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO

Y 0.000 0.367 0.579 1.500 2.250 2.970 3.902 4.600 5.296 6.000

TR 1.580 2.000 2.330 5.000 10.00 0 20.00 0 50.00 0 100.0 00 200.0 00 403.0 00

Del cuadro Nº 03, para n = 12 se obtiene: Ớn

:

1.010

Yn

:

0.5120

Se calcula 1/a 1/a = Ớx / Ớn = 30.04/1.010 = 29.74 Para un Tr : 100 años del Nº 05, se obtiene: Y : 4.600 Aplicando la fórmula del (1) se obtiene: X, 50 = 101.36 + 29.74 *(3.902-0.5120) = 202.00mm X, 100 = 101.36 + 29.74*(4.600-0.5120) =

223.00mm

X, 200 = 101.36 + 29.74*(6.000-0.5120) =

265.00mm

5.4. CÁLCULO DEL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

Para calcular el tiempo de concentración, nos remitimos al cuadro No14, donde se indica: La superficie A en Km2. La longitud L en Km. Medida a lo largo del cauce principal. La cota del fondo del cauce Y msnm en la zona de interés. La altitud media Hmsnm . La diferencia de altura Hz. El tiempo de concentración fue calculado mediante las fórmulas de Giandotti. 

FÓRMULA DE GIANDOTTI

Para micro cuencas hidrográficas de áreas de montaña

Tc =

4 A +1.5 L 0.8 Hz

El siguiente cuadro, muestra los cálculos realizados:

CUADRO Nº 7.

TIEMPOS DE CONCENTRACION

N

NOMBRE

X

Y

Km

AREA(Km2) LONGITUD(Km)

COTA MAX

TIEMPO DE COTA CONCENTRACION PROMEDIO EN (HORAS)

COTA MIN

1 s/n

477350 8606843

0+400

16.26

4.6

200

191

195.50

2 s/n 3 S/N

476391 8603096

4+760

-

-

-

-

-

9.60 -

476390 8601781

5+850

47.3

11

225

178

201.50

8.02

4 s/n

475821 8599806

8+200

0.6

1.2

225

160

192.50

0.76

5 s/n 6 s/n

474634 8599394

9+700

11

6.7

250

180

215.00

3.48

474035 8598624

11+040

1.75

1.99

225

173

199.00

1.43

7 s/n

473833 8597212

12+580

0.65

1.03

200

174

187.00

1.17

8 s/n 9 s/n 1 Chonta 0

474085 8596894

13+040

1.17

1

200

183

191.50

1.77

474432 8596311

13+720

0.5

1

200

172

186.00

1.02

475241 8594805

15+680

290.23

44

250

185

217.50

20.80

6. CÁLCULO DEL CAUDALES MÁXIMOS

Para la estimación de los caudales máximos, se utilizo el método de la U.S Soil Conservation Service.

6.1. MÉTODO DE LA U.S. SOIL CONSERVATION SERVICE

Este método para el cálculo de las avenidas máximas fue desarrollado por la U.S. Soil Conservación Service, utilizando criterios ya establecidos por esta, como el cálculo de la lluvia en exceso en base al parámetro N, que varia de 1 a 100. Un número de curva N=100, indica que toda la lluvia escurre, y un número N = 1, indica que toda la lluvia se infiltra; por lo que los números de curvas, representan coeficientes de escurrimiento. Para el modelo SCS o número de curva, se necesita conocer básicamente el tipo de cobertura que tiene la cuenca y el tipo de suelo relacionado al grado de infiltración que poseen. De acuerdo al US Soil Conservation Service, el escurrimiento superficial acumulado Q en mm (equivalente a la lluvia en exceso Pex), tiene la siguiente expresión:

Q = Pex =

Pe 2 Pe + S

(1)

Siendo ‘S’ la infiltración potencial (mm) estimada en función al denominado número de curva ‘N’. S=

25400 − 254 N

(2)

‘Pe’ es la denominada precipitación en exceso acumulada e igual a: A.

Pe = P – Ia

(3)

Donde ‘P’ es la lluvia acumulada en mm y ‘Ia’ es la abstracción inicial estimada como Ia = 0.20 S. Sustituyendo las ecuaciones (2) y (3) en (1), tenemos la siguiente expresión: 5080   + 50.8  P − N  Q = Pex =  20320   − 203.2  P + N  

2

(4)

En las expresiones anteriores N es el número de la curva de escurrimiento del complejo hidrológico suelo – cobertura adimensional, P y Pex están expresados en mm. Para calcular el valor de N, se debe tener en cuenta el grupo de suelo hidrológico: 

Grupo A: (Bajo potencial de escurrimiento). Suelos que tienen altas velocidades de infiltración cuando están mojados y consisten principalmente de arenas y gravas profundas, con bueno a excesivo drenaje. Estos suelos tienen altas velocidades de transmisión del agua.



Grupo B: Suelos con moderada velocidad de infiltración cuando están mojados y consisten principalmente de suelos con cantidades moderadas de texturas finas y gruesas, con drenaje medio y algo profundo. Son básicamente suelos arenosos.





Grupo C: Suelos que tienen bajas velocidades de infiltración cuando están mojados, consisten principalmente de suelos que tienen un estrato que impide el flujo del agua, son suelos con texturas finas. Estos suelos tienen bajas velocidades de transmisión. Grupo D: (Alto potencial de escurrimiento). Suelos que tienen muy bajas velocidades de infiltración cuando están mojados y consisten principalmente de suelos arcillosos con alto potencial de hinchamiento, suelos con nivel freático alto y permanente, suelos con estratos arcillosos cerca de su superficie, o bien, suelos someros sobre horizontes impermeables. Estos suelos tienen muy bajas velocidades de transmisión del agua.

El siguiente cuadro, muestra los números de curva para condiciones antecedentes de humedad promedio.

CUADRO Nº 8.

NUMERO DE LA CURVA DE ESCURRIMIENTO PARA CONDICIONES VARIADAS DE HUMEDAD PROMEDIO

USO DE LA TIERRA

TRATAMIENTO

Y COBERTURA

DEL SUELO

Sin cultivo

Cultivo en surco

Cereales

Leguninosas o praderas con rotación

PENDIENTE DEL TERRENO

TIPO DE SUELO

en %

A

B

C

D

Surcos rectos

-

77

86

91

94

Surcos rectos

>1

72

81

88

91

Surcos rectos

1

70

79

84

88

Contorneo

1

66

74

80

82

Terrazas

1

65

76

84

88

Surcos rectos

1

63

74

82

85

Contorneo

1

61

72

79

82

Terrazas

1

66

77

85

89

Surcos rectos Contorneo

1

58 64

72 75

81 83

85 85

Contorneo

1

63

73

80

83

Terrazas

1

68

79

86

89

1

47

67

81

88

Contorneo