ESTUDIO HIDROLGICO E HIDRULICO

ESTUDIO HIDROLGICO E HIDRULICO1. INTRODUCCINEl Gobierno Regional de Hunuco en el Plan Operativo 2006, prev el estudio de la construccin del Puente San Sebastin.

El objetivo del estudio hidrolgico est orientado a la determinacin del cauce del diseo del ro Huallaga en el punto donde se construir el Puente San Sebastin. Con los estudios hidrulicos se determinarn las caractersticas de circulacin de la corriente para el gasto obtenido.

2. UBICACIN DEL PROYECTOEl puente se localiza sobre el ro Huallaga en la continuacin del Jr. Libertad, en el Distrito de Hunuco, provincia de Hunuco y regin Hunuco, en la zona Oeste del cercado de la ciudad capital, uniendo la ciudad de Hunuco con el distrito de Amarilis.3. DESCRIPCIN DE LA CUENCA DEL RO ALTO HUALLAGAEl ro Huallaga nace en las alturas de Cerro de Pasco, por la confluencia de los ros Ticlayan, Pariamarca y Pucurhuay. El ro Huertas es uno de los principales tributarios del ro Huallaga y uno de los ms caudalosos. El ro Huallaga recorre hacia el Norte y Nor Este por los departamentos de Pasco y Hunuco. Los principales tributarios del ro Huallaga son: el ro Tingo, Condoraga, Chaupihuananga, Coquin y Quio en la zona de Ambo; los ros Huancachupa, Higueras, Gabanza, Chinobamba y Acomayo, provenientes de las alturas de Hunuco, en su margen derecha recibe caudales de las quebradas, Chicuy, Pumarini, ojimayo y Yanamayu provenientes de las lagunas situadas al SE de la ciudad de Hunuco.a. SUBSECUENCIAS EN EL RO HUALLAGALa cuenca integral del ro Alto Huallaga, desde sus nacientes a la altura de Cerro de Pasco hasta la ciudad de Hunuco (Puente Taruca), tiene una extensin aproximada de 4 789.40 km2 con una longitud de cauce de 83 km. Es una cuenca hmeda en su integridad, sometida a precipitaciones significativas; tiene dos subcuencas principales y subcuencas secundarias: cuatro en el Alto Huallaga y tres en el ro Huertas, adems tiene una subcuenca lateral del ro Higueras.

La subcuenca del Alto Huallaga, hasta el pueblo de Ambo, tiene una extensin de 1582.30 km2, con una longitud de cause de 83 km. Se puede distinguir cuatro subcuencas secundarias: ro Tingo. Ro Ticlacayan, ro Pucurhuay y ro Blanco. La lnea de cumbres de la subcuenca bordea los 4 800 m.s.n.m. y desciende a 3 200 m.s.n.m. en su extremo inferior. El fondo del cauce est entre 200 y 1 200 m., por debajo de la lnea de cumbres. La pendiente promedio del cauce es de 2.8 % que baja de los 4 400 a 2 850 m.s.n.m.

La subcuenca secundaria del ro Tingo, tiene una extensin de 306.6 km2 y una longitud de cauce de 41.5 km., con una pendiente de 2.5 % que baja desde los 4 350 a los 2 170 m.s.n.m.

La subcuenca secundara Ticlacayan, tiene una extensin de 81.8 km2 y una longitud de cauce de 12.5 km., con una pendiente media de 6.4% que baja de los 4 200 a los 3 450 m.s.n.m. La lnea de cumbres va de los 4 200 m.s.n.m.

La subcuenca del ro Blanco, tiene una extensin de 81.8 km2 y una longitud de cause de 36.5 km., con una pendiente media de 5.3% que baja de los 4 400 a los 2 450 m.s.n.m. La lnea de cumbres va de los 4800 a los 3 600 m.s.n.m.

La subcuenca principal del ro Huertas, tiene una extensin de 2 083.4 km2 y una longitud de cause de 93.5 km., con una pendiente media de 2.5 %. Se puede distinguir tres subcuencas secundarias: ro Yana cocha, ro Chaupuhuaranga y ro Quio. La lnea de cumbres de la subcuenca bordea los 4 500 m.s.n.m. y baja a 3 200 m.s.n.m. en su extremo inferior. El fondo de cause baja de los 4 400 a los 2 050 m.s.n.m. y est de 800 a 1100 m., por debajo de la lnea de cumbres.

La subcuenca del ro Yanacocha, tiene una extensin de 298.8 km2 y una longitud de cause de 38.5 km., con una pendiente de 3.2 % que baja de los 4 500 a los 4 400 m.s.n.m. La lnea de cumbres va de los 4 500 a los 4 250 m.s.n.m.

La subcuenca secundaria de Quio, tiene la extensin del ro Quio y llegada a la ciudad de Ambo, tiene una longitud de cause de 24.5 km., y una pendiente de 0.98 % y baja de los 2 400 a los 2 050 m.s.n.m., presentando un cause meandriforme.

La subcuenca lateral del ro Higueras, que ingresa al ro Huallaga en las cercanas de la ciudad de Hunuco, tiene una extensin de 738.1 km2 y una longitud de cause de 88 km., y una pendiente de 2.8 % que baja de los 3 900 m.s.n.m., presentando un cause med forme. La lnea de cumbres en este tramo, va de los 3 200 a los 3 000 m.s.n.m.

b. DENSIDAD DE DRENAJE

La cuenca integral del ro Huallaga tiene una baja densidad de drenaje, con una relacin 0.486 km/km2. La subcuenca de ro Alto Huallaga, tiene una relacin de 0.483 km/km2 y sus subcuencas secundarias tienen una variacin que va de 0.62 a 0.41 km/km2. La subcuenca del ro Huertas tiene una relacin de 0.405 km/km2, variando la densidad de drenaje en la subcuenca del ro Higueras es de 0.458 km/km2.

4. ESTADO ACTUAL DE LOS PUENTES EXISTENTES

Se ha realizado una inspeccin exhaustiva de los tramos del ro Huallaga donde se ubica los puentes actualmente existentes en la ciudad de Hunuco, observndose que el paso de las avenidas mximas anuales no ha ocasionado perturbaciones, como socavacin general local, en el lecho del ro por la presencia de los estribos de los puentes, tal como se muestra en las fotos.5. CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO EN FUNCIN DEL NIVEL MXIMO

Con la finalidad de obtener el caudal mximo de diseo se realiz los siguientes trabajos de campo:

1. Seleccin de varios tramos de ro.

2. Determinacin de las marcas de huellas dejadas por las aguas de mxima crecida.

3. Levantamiento topogrfico de las secciones transversales seleccionadas 3 secciones.

4. Determinacin de la pendiente de la superficie de agua con las marcas o huellas dejadas.

5. Eleccin del coeficiente de rugosidad. (n)

6. Aplicacin de frmula de Manning.

Q = A R2/3 S1/2n

Donde:

A: rea de la seccin hmeda en m2.

R: relacin entre el rea de la seccin hmeda/permetro mojado.

S: pendiente media del lecho del ro en m/m.

n: rugosidad del cauce del ro.

Para utilizar la frmula de Manning, se ha escogido una seccin media, una pendiente media del lecho, as como las zonas de la seccin con diferentes coeficientes de rugosidad. Cuando ms uniforme sea el cauce en relacin transversal, su alineacin y su pendiente media, ms exactitud dar el mtodo. Se supone que el lecho del ro no se altera por socavacin

Los valores medios de la seccin transversal, la pendiente, etc. Se obtuvo como se indica a continuacin:

La pendiente media S se obtuvo a partir del perfil real del lecho del ro en un tramo aguas arriba y aguas abajo del lugar de cruce. Cuando el flujo es pequeo, el nivel de agua se adapta al perfil real, sin embargo; para una avenida, el nivel del agua es paralelo al perfil medio.

La seccin media de la corriente se tom como promedio de las tres secciones adyacentes.

El coeficiente de rugosidad es variable en la seccin transversal. La siguiente tabla nos muestra los distintos valores de n para canales de corrientes naturales:

n = 0.025

Cauce de tierra natural limpios con buena alineacin con o sin algo de vegetacin en los taludes y gravillas dispersas en los taludes.

n = 0.030

Cauce de piedra fragmentada y erosionada de seccin variable con algo de vegetacin en los taludes y considerable pendiente (tpico de los ros de entrada de ceja de selva).

n = 0.035

Cauce de grava y gravilla con variacin considerable de la seccin transversal con algo de vegetacin en los taludes y baja pendiente (tpico de los ros de entrada de ceja de selva).

n = 0.040-0.0050

Cauce con gran cantidad de canto rodado suelto y limpio, de seccin transversal variable con o sin vegetacin en los taludes (tpico de los ros de la sierra y ceja de selva).

n = 0.060-0.0075

Cauce con gran crecimiento de maleza, de seccin obstruida por la vegetacin externa y acutica de lineamiento y seccin irregular (tpico de los ros de la selva).

Debido a la diferencia de los coeficientes de rugosidad en la seccin media y dado que su forma es irregular; la frmula de Manning se ha aplicado por tramos o sub secciones, ya que si se considera en su totalidad, puede diferir notablemente del gasto que realmente circula. El nmero de sub secciones se obtiene tomando como divisoria de cada sub seccin el punto de cambio de coeficiente de rugosidad. Adems para evaluar analticamente el rea y el sub seccionamiento tomando nuevas divisorias en los puntos de cambio de pendiente de la seccin transversal del lecho del ro.

En el GRFICO N 1, se muestra los sub seccionamientos adoptados para calcular el caudal mximo de diseo.

El siguiente cuadro muestra los valores adaptados para cada sub seccin y ls caudales parciales de cada sub seccin:

SECCA(m2)P(m)S(m/m)nRQ(m3/s)V(m/s)F

14.01414.6530.0080.0450.8687.311.810.62

227.40410.7600.0080.0422.547108.843.970.79

330.3278.3000.0080.0423.654153.215.050.84

434.1489.4160.0080.0423.627171.665.030.84

520.5127.4160.0080.0422.76686.074.200.81

615.7237.2090.0080.0422.18156.313.580.77

70.9692.2070.0080.0450.4391.111.150.55

TOTALL133.12449.9612.665584.514.390.86

Q =diseo580.00

Finalmente tomamos 580 m3/s como caudal de diseo.6. CLCULOS DE SOCAVACIN

La socavacin que se produce en un ro no puede ser calculada con exactitud, solo estimada, por cuanto muchos factores intervienen en la ocurrencia de ste fenmeno, tales como:

- El caudal

- Tamao y conformacin del material del cauce

- Cantidad de transporte de slidos

6.1. SOCAVACIN GENERAL DEL CAUCE. Es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida debido al efecto hidrulico de un estrechamiento de la seccin; la degradacin del fondo de cauce se detiene cuando se alcanza nuevas condiciones de equilibrio por disminucin de la velocidad a causa del aumento de la seccin transversal debido al proceso de erosin.

Para la determinacin de la socavacin general se emplear el criterio de Lischtva-Levediev.La velocidad erosiva media que se requiere para degradar el fondo est dado por las siguientes expresiones:

Ve == 0.60 gd1.18bH.xs m/s, suelos cohesivosVe == 0.68 bd1.18H.xs m/s, suelos no cohesivos

En donde:

Ve = Velocidad media suficiente para degradar el cause en m/s

Gd = Peso volumtrico del material seco que se encuentra a una profundidad Hs, medida desde la superficie del agua (Ton/m3)

b= Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia. Ver tabla N 3

x = Es un exponente variable que est en funcin del peso volumtrico gs del material seco (Ton/m3)

Hs = Tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer que valor de Ve se requiere para arrastrar y levantar en material (m)dm = Es el dimetro medio en (mm) de los granos obtenidos del fondo seg la expresin 0.01 S di pi

En el cual:

di = Dimetro medio, en mm, de una fraccin en la curva granulomtrica de la muestra total que se analiza.

pi = Peso de esa misma porcin, comparada respecto al peso total de la muestra. Las fracciones escogidas no deben ser iguales entre si.

Para el clculo de la profundidad de la socavacin en suelos homogneos se usar las siguientes expresiones.

Suelos cohesivos:

Suelos no cohesivos:

Donde:

Qd = caudal de diseo (m3/s)

Be = ancho efectivo de la superficie del agua en la seccin

transversal

m

= coeficiente de contraccin Ver tabla N 1

Hm = profundidad media de la seccin = rea / Be

x = exponente variable que depende del dimetro del material y se encuentra en la tabla N 2

dm = dimetro medio (mm)

TABLA N 1

COEFICIENTE DE CONTRACCIN

Velocidad media en la seccin en m/sLongitud libre entre dos estribos

10131618212530425263106

124200

Menor de 11.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.00

1.001.00

1.000.960.970.980.990.990.991.001.001.001.001.00

1.001.00

1.500.940.960.970.970.970.980.990.990.990.991.00

1.001.00

2.000.930.940.950.960.970.970.980.980.990.990.99

0.991.00

2.500.900.930.940.950.960.960.970.980.980.990.99

0.991.00

3.000.890.910.930.940.950.960.960.970.980.980.99

0.990.99

3.500.870.900.920.930.940.950.960.970.980.980.99

0.990.99

4.00 o mayor0.850.890.910.920.930.940.950.960.970.980.99

0.990.99

TABLA N 2

VALORES DE X PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS

SUELOS COHESIVOSSUELOS NO COHESIVOS

P. especificoXdm (mm)X

0.800.520.050.43

0.830.510.150.42

0.860.500.500.41

0.880.491.000.40

0.900.481.500.39

0.930.472.500.38

0.960.464.000.37

0.980.456.000.36

1.000.448.000.35

1.040.4310.000.34

1.080.4215.000.33

1.120.4120.000.32

1.160.4025.000.31

1.200.3940.000.30

1.240.3860.000.29

1.280.3790.000.28

1.340.36140.000.27

1.400.35190.000.26

1.460.34250.000.25

1.520.33310.000.24

1.580.32370.000.23

1.640.31450.000.22

1.710.30570.000.21

1.800.29750.000.20

1.890.281 000.000.19

2.000.27

TABLA N 3

VALORES DEL COEFICIENTE bPeriodo de Retorno del gasto de diseo (aos)Coeficiente b

20.82

50.86

100.90

200.94

500.97

1001.00

5001.05

6.2. SOCAVACIN AL PIE DE LOS ESTRIBOSEl mtodo que ser expuesto se debe a K, F, Artamonov y permite estimar la profundidad de socavacin al pie de estribos. Esta erosin depende del gasto que tericamente es interceptado por el estribo, relacionando con el gasto total que escurre por el ro, del talud que tiene los lados del estribo y del ngulo que el eje longitudinal que la obra forma con la corriente. El tirante incrementado al pie de un estribo medido desde la superficie libre de la corriente, est dado por:

St = Pa Pq Pr HoDonde:

Pa = coeficiente que depende del ngulo a que forma el eje del puente con la corriente, como se indica en la figura siguiente; su valor se puede encontrar en la tabla N 4

Pq= coeficiente que de pende de la relacin Q1/Q en que Q1 es el gasto que tericamente parara por el lugar ocupado por el estribo si ste no existiera y Q, es el gasto total que escurre por el ro. El valor de Pq puede encontrarse en la tabla N 5Pr= coeficiente que depende del talud que tienen los lados del estribo, su valor puede obtenerse en al tabla N 6

Ho= tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosin

TABLA N 4

VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pa EN FUNCIN DE a

a306090120

150

Pa0.840.941.001.07

1.19

TABLA N 5

VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pq EN FUNCIN DE Q1/QQ1/Q0.100.200.300.400.500.600.70

0.80

Pq2.002.653.223.453.673.874.06

4.20

TABLA N 6

VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pr EN FUNCIN DE R

TALUD r00.501.001.502.00

3.00

Pr1.000.910.850.830.61

0.50

Caractersticas del material del lecho de cause

El material que constituye el lecho del ro es grava limosa mal graduada con 80% de bolonera tal como se determin en el estudio de suelos, por lo que, consideramos para el clculo de la socavacin un dimetro medio de 140 mm.

A. Calculo de la socavacin general en el cause:

Hs= profundidad de socavacin (m)

Qd= caudal de diseo

580.00 m3/s

Be = ancho efectivo de la superficie de agua 47.50 m.

Ho= tirante antes de la erosin

4.10 m.Vm= velocidad media en la seccin

4.34 s.

m= coeficiente de contraccin Ver tabla N 1 0.97

gd= pesos especfico del suelo del cause1.80 Tn/m3dm= dimetro medio

140.00 mm.

x= exponente variable. Ver tabla N 2 0.27

Tr= periodo de retorno del gasto de diseo 100 aos

b= coeficiente que depende de la frecuencia del caudal de diseo.

Ver tabla N 3

1.00A= rea de la seccin hidrulica 131.60 m2Hm= profundidad media de la seccin

2.711 m

a=

2.303

Entonces:

Hs= 5.60 m.

ds= profundidad de socavacin al fondo del cause

ds= 1.50 m.

Asumimos ds= 1.50 m.

B. Clculo de la socavacin al pie de estribos.1.0. Estribo margen IzquierdaSt= tirante incrementado al pie del estribo debido a la socavacin en metros.Ho= tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosin.

1.60 m

Q= caudal de diseo

580.00 m3/s

Q1= caudal que tericamente pasara por el

Lugar ocupado por el estribo 10.00 m3/sQ1/Q=

0.02Pq= coeficiente que depende de la relacin 2.00

Q1/Q Ver tabla N 5

A= ngulo que forma el eje del estribo con

la corriente

90

Pa= coeficiente que depende del ngulo a

Ver tabla N 4

1.00

R= talud que tiene el estribo

0.00

Pr= coeficiente que depende del talud que

tiene el estribo. Ver tabla N 6

1.00

Entonces:

St = 3.21 m.

Ds= profundidad de socavacin respecto al fondo del cause

So =1.60

AsumimosSo = 1.60 m.2.0. Estribo margen derechaSt= tirante incrementado al pie del estribo debido a la socavacin en metros.

Ho= tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosin.

1.98 m

Q= caudal de diseo

580.00 m3/s

Q1= caudal que tericamente pasara por el

Lugar ocupado por el estribo 10.00 m3/s

Q1/Q=

0.03

Pq= coeficiente que depende de la relacin 2.00

Q1/Q Ver tabla N 5

A= ngulo que forma el eje del estribo con

la corriente

90

Pa= coeficiente que depende del ngulo a

Ver tabla N 4

1.00

R= talud que tiene el estribo

0.00

Pr= coeficiente que depende del talud que

tiene el estribo. Ver tabla N 6

1.00

Entonces:

St = 3.95 m.

Ds= profundidad de socavacin respecto al fondo del cause

So =1.98

AsumimosSo = 2.007. CONCLUISONES Y RECOMENDACIONES1. Se define un caudal de diseo de Q = 580 m3/s, el cual tiene un periodo de retorno de Tr = 250 aos.

2. La luz del puente debe ser del orden de 51 m de luz libre en el eje de los estribos, 51 entre caras de los estribos y la altura del puente de 6.28.

3. Durante la ocurrencia de la avenida de diseo se espera que el flujo tenga las siguientes caractersticas:

Tirante Mximo Y = 4.10 m.

Velocidad del flujo al cruzar el puente Vm = 2.45

4. La profundidad de socavacin se espera que sea de:

Socavacin general ds = 1.60 m.

Estribo derechoSo = 2.00 m.

Estribo derechoSo = 1.60 m.

5. Se recomienda que las riberas adyacentes al puente sean protegidas contra fenmenos de socavacin._1207658211.unknown

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