ESTUDIO HIDROLOGICO
1.
INTRODUCCION El contenido del presente estudio tiene como finalidad determinar las características hidrológicas más importantes de las cuencas que corresponden al Proyecto Rehabilitacion y Mejoramiento de la Trocha Carrozable Puente Huayroncca-uracca-Chonta. La concepción de este proyecto ha previsto la preservación y mejoramiento de la vía mediante la construcción de un sistema de drenaje (alcantarillas y cunetas), a efectos de evacuar las aguas de lluvia y proporcionar un pase para las aguas de riego. La hidrología se centra en el análisis y evaluación de los problemas que originan la presencia de las aguas superficiales y subterráneas en la proyección de las principales estructuras a fin de dar soluciones más convenientes acordes a la realidad del proyecto. Para que una carretera preste un servicio adecuado, depende en gran medida de la eficiencia de su sistema de drenaje, la acumulación de agua sobre la superficie de rodadura, aun en pequeñas cantidades, representa un peligro para el tráfico y la estructura del pavimento. La infiltración de agua a la superficie del pavimento puede producir el reblandecimiento de ésta y deteriorar la estructura de la carretera, obligando a reparaciones a veces costosas, además, la socavación o inundación de una obra de arte por ejemplo puede llegar a afectar a la carretera y hasta producir en ciertas ocasiones hundimientos, debido a ello, se hace necesario el estudio del drenaje como parte esencial de un buen proyecto, el cual en muchas ocasiones ha llegado a influir en la variación del trazo del camino. La finalidad del drenaje superficial, es alejar las aguas propias y adyacentes que fluyen por la superficie de la carretera, para evitar la influencia negativa de los mismos sobre su estabilidad y transitabilidad, así como para limitar las operaciones de conservación. En una carretera interesan, principalmente dos aspectos del drenaje superficial: a) La rápida evacuación del agua que cae sobre la calzada o que fluye a ella desde su entorno, para evitar peligros al tráfico y proteger la estructura del pavimento. La solución, primeramente, es el de determinar el caudal del agua que se tiene que evacuar y en segundo lugar, se refiere, a determinar el dimensionamiento del dispositivo o estructura encargada de su manejo.
b) El flanqueamiento o pase de los ríos y otros cauces de agua importantes, como quebradas y riachuelos. En el caso, de ríos y otros cauces de agua importantes, existen Entidades encargadas de su control, principalmente mediante mediciones de caudales y precipitaciones, estos organismos suelen tener datos al respecto, pero en los casos concernientes a Obras de Arte; la solución es materia del presente Estudio. 2.
OBJETIVO El presente estudio de hidrología referente al proyecto en mención, tiene como objetivo evaluar y establecer los criterios que permitan determinar los parámetros hidrológicos de diseño sobre la base del reconocimiento de campo de la zona de estudio y la información meteorológica disponible. Además como resultado del presente estudio, se tendrán determinados los parámetros hidrológicos más importantes que serán empleados en los diseños de las obras de arte que se planteen ejecutar. El principal y más importante objetivo del presente estudio, es evaluar el comportamiento del sistema de drenaje del camino y consecuentemente el comportamiento hidrológico de los cursos de agua existentes en una extensión 3+300 Km, de la Trocha Carrozable Puente Huayroncca-Uracca-Chonta, con el objeto de conocer los requerimientos de Obras de Arte y Drenaje de la carretera.
3.
METODOLOGIA DEL ESTUDIO Con el fin de reunir los criterios adecuados para conocer las características típicas del Drenaje y el comportamiento Hidrológico de los cursos de agua, se ha realizado el estudio considerando las siguientes etapas: a). Trabajos de Campo.La primera fase del presente estudio de drenaje para la Trocha Carrozable Puente Huayroncca-Uracca-Chonta es la ejecución de los trabajos de evaluación de la vía en campo que consistió en inspeccionar in situ la vía, observando, evaluando y midiendo las características, detalles, relieve y aspectos hidrológicos de las quebradas y los cauces de agua existentes. El objetivo de la inspección de campo es la de realizar una evaluación de los sistemas de drenaje existentes detectando problemas como: carencia estructuras de pase transversal para el flujo de avenidas. Así como, proponer nuevas estructuras según se observe la necesidad de éstas. b). Trabajos de Procesamiento de la Información.- Es la etapa de procesamiento de datos obtenidos directamente de campo. De acuerdo a esta metodología se ha procedido a realizar el Análisis Hidrológico y Drenaje para el camino.
c). Aforos.- Cabe indicar que para el cálculo de los caudales de las quebradas no se realizaron aforos directos, en vista que las cuencas tienen características y áreas de influencia con las que se determinó el caudal de diseño de las alcantarillas. d). Balance Hídrico.- El balance hídrico en la zona no es necesario, porque la ubicación de las obras de drenaje (alcantarillas y tajeas) ya se encuentra determinada por la existencia de quebradas, acequias y canales de tierra para riego existentes a lo largo del camino, donde es necesarios plantear obras de drenaje. 4.
ANÁLISIS HIDROLÓGICO DEL CAMINO El encuentro del flujo de las aguas con la carretera siempre causa problemas al terraplén y a la superficie de rodadura. Por ello el estudio de drenaje de la carretera, tiene por objetivo controlar y minimizar el problema que genera la escorrentía superficial y sub-superficial a ésta, proporcionando un diseño adecuado de las obras de drenaje propuestas, como también a las existentes. Los estudios hidrológicos parten de registros meteorológicos de las estaciones cercanas a la zona del proyecto, para luego con apoyo de la estadística determinar su consistencia y así poder obtener las precipitaciones medias, escorrentía e intensidades máximas para diferentes periodos de retorno, datos necesarios que nos permitirán diseñar las obras de arte y drenaje respectivas. 4.1.
Descripción
Trocha Carrozable Puente Huayroncca-Uracca-Chonta, tiene su inicio en la población de Huayroncca, (Prog.; 00 + 000) de la vía Puente Huayroncca-Uracca-Chonta y el final de la vía se encuentra en la comunidad de Chonta (Prog.; 16+796.78). En toda la longitud del camino se ha podido observar la presencia de cursos de agua, producto del escurrimiento de agua de lluvia, por lo que, en el presente Estudio se presenta el cálculo y diseño respectivo, de las obras de arte que se está planteando para ser ejecutados durante el mejoramiento de la trocha carrozable. La carretera está en mal estado de transitabilidad observándose que con la presencia de esta época de lluvias pasadas, aparecen más huellas, surcos y erosiones en la plataforma de rodadura. En todo el trayecto la carretera presenta deficiencias en cuanto a drenaje, por lo que se requiere diseñar y construir un sistema de drenaje adecuado, para evacuar el agua que cae directamente a la calzada y la que discurre por las laderas adyacentes, ubicadas aguas arriba, para lo cual se construirá alcantarillas para su desfogue.
Hidrológicamente la carretera adolece de:
4.2.
Cunetas
Alcantarillas
Escorrentía Superficial.-
La evaluación de campo realizada para el presente estudio ha llevado a clasificar e interpretar los problemas de acuerdo al drenaje natural, observados como quebradas, escurrimiento pluvial, aguas superficiales. A continuación describimos cada tema: Quebradas: La vía proyectada corresponde a una carretera de tercera categoría, lo hace sobre terrenos accidentados, siendo las características agrestes que no permite tener radios amplios y tangentes intermedias amplias, la pendiente es variada aunque fuerte en algunos casos, que podrían ocasionar erosión de la plataforma de la vía en los tramos de mayor pendiente, esto debido a la presencia de pequeñas quebradas de régimen regular, que solo transporta agua y en algunos casos piedras, sin embargo no dejan de ser peligrosas por la fuerte pendiente. En la evaluación vial existente realizada a la carretera en estudio, se pudo ubicar cinco puntos de interés desde el punto de vista hidrológico, ya que en estos puntos se ubican Obras de Arte que sirven de paso a las aguas provenientes de las precipitaciones pluviales. Escurrimiento superficial debido al flujo Pluvial: El relieve topográfico de la vía se presenta con ascensos y descensos a media ladera. La pendiente longitudinal de la vía es fuerte en algunos tramos. Para tomar el flujo que escurre por la vía y el talud superior existen las estructuras denominadas cunetas. El régimen de escurrimiento para la zona en estudio sigue el patrón de comportamiento proveniente de las lluvias. Es así como, existen meses sin ningún o escaso escurrimiento que se presenta generalmente en los meses secos y otros meses con presencia de escurrimiento variable en los meses húmedos. En estos meses húmedos se observa fenómenos de escurrimiento extraordinario o de descarga máxima, coincidentes casi siempre con la ocurrencia de una tormenta en la zona. Este escurrimiento variable es el típico de las torrenteras y su caudal máximo está sujeto a tormentas de intensidad altas localizadas, esto origina que la avenida tendrá poca duración pero muy dañina, volviendo a la normalidad rápidamente. Para el caso de esta estimación, se ha utilizado la aplicación de la conocida fórmula del Método Racional, porque no existe control de caudales estacionales de aforo en las quebradas.
Este método selecciona básicamente la escorrentía con la intensidad de precipitación y las características morfológicas de la cuenca, los caudales o descargas máximas obtenidas por este método se utilizarán para el diseño de pontones. Los caudales que permitirán dimensionar de las alcantarillas se obtendrá utilizando la lamina de agua formada en un área determinada de carretera y su correspondiente talud adyacente. 5.
ANÁLISIS DE INFORMACIÓN PLUVIOMÉTRICA Consiste en efectuar un análisis sobre los registros meteorológicos con que se cuenta, para poder eliminar aquellos que no son confiables y en algunos casos completar los valores faltantes o extender dicha información. Las estaciones de Kayra y Perayoc, presentan registros de datos completos, son las más cercanas y de altitudes parecidas, por tanto se les considera como estaciones índice; y como no hay otra estación en estudio, entonces el análisis de doble masa no será necesario. 5.1. PRECIPITACION MEDIA ANUAL DEL PROYECTO Para el análisis de la precipitación media en la zona del proyecto se utilizaron los registros históricos de precipitaciones medias mensuales de las estaciones meteorológicas más cercanas, de altitud similar y de mayores años de registro. En nuestro caso, utilizamos como estación base la ubicada en Kayra.
ESTACIONES METEREOLÓGICAS ALTITUD ESTACION KAYRA
PERAYOC
PRECIPITACION (mm) Mínima 462.70 Media 692.95 Máxima 923.20 Mínima 503.40 Media 761.85 Máxima 1,020.30
(m) 3,219.00
3,385.00
5.2. MÉTODO DE REGIONALIZACIÓN Para este método se utiliza las técnicas de cálculo de regresión, donde la altitud es el valor independiente; siendo este método el más adecuado y muy superior a otros métodos conocidos como el polígono de Thiessen, isoyetas, etc. Luego de completar y extender los registros de las estaciones utilizadas (si fuese el caso), se deberá regionalizar las precipitaciones medias anuales al punto de interés del proyecto debido a que la información hidrológica corresponde a estaciones meteorológicas cercanas al ámbito de estudio. Los datos meteorológicos se regionalizarán hasta la zona del proyecto por medio de regresiones de las precipitaciones medias anuales de las estaciones utilizadas, donde se usará como un término independiente a la altitud puesto que ésta guarda una relación con respecto a la
precipitación que será el término dependiente.Se utilizará este tipo de regionalización porque de acuerdo a las características pluviométricas de la sierra, existe gran influencia de la ubicación con respecto a la altura. 5.3. REGIONALIZACION EN EL PUNTO DE INTERES Se desarrolla en función de la relación Precipitación – Altitud. Es así que con la información de las estaciones de Kayra y de Perayoc, las cuales se muestran en el cuadro anterior con sus características correspondientes, se ha determinado la ecuación: RELACIÓN ALTURA – PRECIPITACIÓN PUNTO Kayra Perayoc
ALT. (x) 3,219.00 3,385.00
PRECIP. (y) 692.95 761.85
a = (Y2-Y1) / (X2-X1) a = 0.415 Calculando la Ecuación de Regionalización: 1404.98 h= -643.13 b= Ecuación Lineal Y = aX + b Y = 0.415X -643.13
Y = Precipitación media anual de la zona X = Altitud a la cual se genera la precipitación
Ejemplo: Para X = 4164.135 m. tenemos: 996.12mm
Precipitación media anual del proyecto
Y= 5.4. DETERMINACION DEL PERIODO DE RETORNO Por ser una zona pluvial, con presencia de quebradas que se activan cada año, se considera el tiempo de retorno para el diseño de las estructuras de drenaje transversal, en este caso se ha considerado el siguiente criterio: para estructuras tipo alcantarilla, 50 años. Periodos de retorno para el diseño de obras de drenaje en Caminos de Bajo Volumen de Tránsito (MDCBVT)
5.5. CALCULO DE LA INTENSIDAD DE LLUVIA. (I) La intensidad de lluvia o de precipitación resulta de dividir el valor de la precipitación seleccionada para la función de distribución escogida y para un tiempo de retorno establecido, entre el valor del tiempo su concentración afectado de un exponente. La intensidad de lluvia queda expresada como:
I
=
P
=
0.451733xP/(Tc)0.4998
Donde: Es la precipitación estimada para un tiempo de retorno o frecuencia considerada. (mm.) Tc
=
Tiempo de Concentración. (hr)
Para el presente proyecto consideraremos una I = 55.00 mm/hr 5.6. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS Los estudios hidrológicos efectuados se centran en cinco puntos de interés, ya que se plantea, de acuerdo a los resultados del presente estudio, la construcción de alcantarillas de paso, los cuales servirán para evacuar las aguas provenientes de las cunetas laterales propias de la vía. Las características físicas de las cinco cuencas en estudio se realizaron en base a la carta nacional con ayuda del software HECGeo-HMS, el cual es una extensión del software ARCGIS, de libre uso, que puede ser descargada desde la web del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos. La Carta Nacional usada para el estudio corresponde a la cuadrícula 28-t del sector de Anta. Mediante un proceso de modelamiento y con las coordenadas de aforo correspondientes a los cinco puntos en estudio, se determinaron sus características físicas, como se detalla a continuación:
UBICACIÓN DE LAS CUENCAS EN ESTUDIO CUENCA 01 02 03 04 05
PROGRESIVA 0+395 1+110 1+610 1+910 2+275
ESTE 246,290.430 245,759.118 245,485.176 245,175.790 244,896.814
NORTE 8,484,600.739 8,484,171.057 8,483,774.459 8,483,699.209 8,483,563.922
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA CUENCA LONG. DEL PEND. PROM. CUENCA RECORRIDO (km) 01 02 03
1.472 1.103 0.603
CUENCA (m/m) 0.946 0.734 1.023
ELEV. DE LA CUENCA (m) 4,014.29 4,033.25 4,022.30
AREA DE LA PERIMETRO CUENCA
DE LA
(km2)
CUENCA (m)
1.783 0.098 0.050
4,908.51 3,500.00 2,500.00
PEND. MEDIA CAUCE (m/m) 0.127 0.121 0.161
04 05
0.707 3.164
0.689 0.707
4,024.60 4,067.53
0.028 2.380
3,000.00 9,500.00
0.112 0.067
5.7. CAUDAL DE DISEÑO Para la estimación del caudal de Diseño se plantea utilizar el método racional ya que esta es aplicable a cuencas pequeñas que varían entre 50 Ha y 500 Ha, siendo su formulación:
Q
CiA 3.6
Donde: Q
:
Caudal de diseño (m3/seg.)
I
:
Intensidad de precipitación (mm/hr.)
A
:
Área de la cuenca en km2
C
:
Coeficiente de escorrentía que representa la fracción de la
lluvia que escurre en forma directa. Ver cuadro siguiente.
De los cuadros se tiene un coeficiente de escorrentía de 0.62. El método de cálculo, supone que la máxima variación del gasto correspondiente a una lluvia de cierta intensidad sobre el área, es producida por la lluvia que se mantiene por un tiempo igual al que tarda el gasto máximo en llegar al punto de observación considerado. Teóricamente este periodo es el Tiempo de Concentración, que se define como; el tiempo requerido por el escurrimiento superficial para llegar, desde la parte más alejada de la cuenca hasta el punto que se considere como límite de la misma.
Progresiva km km km km km
6.
CAUDAL EN LAS ALCANTARILLAS A Q C I (mm) (km2) (m3/seg)
0 + 395 1 + 110 1 + 610 1 + 960 2 + 275
1.783 0.098 0.050 0.028 2.380
0.62 0.62 0.62 0.62 0.62
55.00 55.00 55.00 55.00 55.00
16.889 0.928 0.474 0.265 22.544
Observaciones Quebrada Quebrada Quebrada Quebrada Quebrada
PLANTEAMIENTO DE SOLUCIÓN AL SISTEMA DE DRENAJE En este ítem se plantea las soluciones al sistema de drenaje transversal y longitudinal que se ha observado, de acuerdo a la evaluación de campo, son necesarias para el buen funcionamiento de éste y con ello se cubra las expectativas de la vida útil de la carretera. DRENAJE TRANSVERSAL En este ítem se plantearán las estructuras tipo badén, alcantarillas de acuerdo al resultado de la evaluación de campo. DRENAJE LONGITUDINAL El control de las aguas superficiales que discurren por la superficie de rodadura así como por los taludes superiores de la carretera; será a través de estructuras denominadas cunetas y luego lo conducirán hasta las estructuras de evacuación como alcantarillas tipo pluviales para entregar finalmente a drenes naturales. La superficie de rodadura de la carretera presenta un bombeo de 2%, esto facilita la orientación del flujo superficial hacia las cunetas.
7.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De la evaluación de campo se observó que la carretera en estudio es de una carretera de tercer orden. Desde el punto de vista de la especialidad presenta serias deficiencias en el sistema de drenaje actual. Por ello, se ha planteado soluciones técnicas eficientes para mejorar el sistema actual.
Cabe indicar que el factor económico ha sido un criterio considerado en dicho planteamiento, por lo cual las obras de drenaje propuestas después de esté análisis económico aliviará en gran parte los problemas que se originen por los escurrimientos del flujo de agua hacia la carretera. El sistema de drenaje propuesto para que cumpla con su objetivo de drenar las aguas necesita un programa de MANTENIMIENTO en forma permanente, debiendo efectuarse esta actividad como mínimo, dos veces al año, antes y después del período húmedo. Para ello se recomienda que la Comunidad se comprometan a asumir dicha responsabilidad, así mismo con el apoyo de la Municipalidad Distrital de Limatambo.