INDICE

1.ANTECEDENTES12.UBICACION13.METODOLOGIA44.RECOPILACION DE INFORMACION45.ESTUDIO HIDROLOGICO56.CARACTERISTICAS DEL SECTOR DEL PUENTE67.CARACTERIZACION HIDRAULICA DEL ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL117.1.Morfologa Fluvial117.2.Comportamiento hidrulico del ro Calajahuira137.3.Modificacin en el Tiempo de la geometra del ro Calajahuira138.CRITERIOS ADOPTADOS EN EL DISEO HIDRAULICO168.1.Parmetros de Diseo168.2.Clculo Hidrulico178.3.Clculo de la Socavacin198.4.Socavacin por Contraccin218.4.1.Mtodo de Laursen (1960)218.4.2.Socavacin local en pilas228.4.2.1.Mtodo de La C.S.U.(1993)228.4.2.2.Socavacin local en estribos de puentes248.4.2.2.1.Mtodo de Hire248.4.2.2.2.Mtodo de la C.S.U. (1975)258.4.2.3.Socavacin Total en pilas y estribos268.4.3.Rugosidad del ro (coeficiente de rugosidad de Manning)278.4.4.Caractersticas del Puente298.4.5.Planta, Perfil longitudinal y Secciones Transversales del Ro Calajahuira328.5.Obras de Encauce y Proteccin398.6.SISTEMA DE DRENAJE EN LOS ACCESOS408.6.1.DRENAJE LONGITUDINAL409.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES50

NDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ubicacin del Proyecto2Figura 2. Ubicacin del Puente3Figura 3. Metodologa de Anlisis4Figura 4. Emplazamiento del Puente en Planta5Figura 5. Estudio Geofsico del Puente10Figura 6. Planta Perfil del Rio Calajahuira12Figura 7. Curva ajustada y datos medidos del Mtodo de la C.S.U.23Figura 8. Socavacin de Estribos26Figura 9. Planta y Perfil del Puente Calajahuira31Figura 10. Modelacin del Puente Calajahuira Hec Ras32Figura 11. Perfil Longitudinal empleado en el Hec Ras33Figura 12. Secciones Transversales empleadas en el Hec Ras34Figura 13. Vista en 3D36Figura 14. Perfil Longitudinal con el emplazamiento del puente37Figura 15. Seccin Transversal en el sector del puente37Figura 17. Obras de Encauce y Proteccin39Figura 18. Vista Frontal de las Obras de Encauce y Proteccin39Figura 19. Cunetas de Corte41Figura 20. Cunetas de Banquinas de Corte42Figura 21. Cunetas al pie del Terrapln43Figura 22. Cunetas o Banquinas Intermedias de Terrapln44Figura 23. Zanjas de Coronamiento45Figura 24. Bordillos de Cuneta46Figura 25. Disipadores Hidrulicos47Figura 26. Subredenes49

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Coordenadas del Puente Calajahuira3Tabla 2. Periodos de Retorno5Tabla 3. Perodo de Retorno para Diseo16Tabla 4. Factores de Forma y ngulo de Ataque23Tabla 5. Valores de K125Tabla 6. Valores de n28Tabla 7. Caractersticas de los puentes30Tabla 8. Valores Obtenidos en la modelacin con el Hec Ras38

INDICE DE FOTOGRAFIAS

Fotografa 1. Caracteristicas del Lecho y Orillas del Ro Calajahuira Aguas arriba (existen dos brazos del rio que se juntan aguas abajo, la profundudad del cauce es de 1,50 m aprox)7Fotografa 2. Rio Calajahuira Aguas Abajo (cauce unico; se puede ver una capa protectora o acorazamiento de bolones y sobretamaos, el cauce esta definido, la profundidad del cauce es de 1,50 m aprox.)7Fotografa 3. Calicata excavada para la clasificacin del suelo y ensayo SPT en el sector de los estribos9

EI TESA PUENTES VEHICULARES PAIRUMANI, PARACHI, CALAJAHUIRA Y JARUMA

ESTUDIO HIDRAULICO PUENTE CALAJAHUIRA iv

ESTUDIO HIDRULICO PUENTE CALAJAHUIRA

1. ANTECEDENTES

En los ros de mayor caudal en el tramo vial Catacora Pairumani en la Segunda Seccin Catacora de la Provincia Jos Manuel Pando actualmente no existen estructuras que permitan el paso vehicular e incluso peatonal en la poca de lluvias y en especial durante y despus de ocurridas las mismas; situacin que agrava an ms las condiciones de vida crticas de los pobladores de la zona.

El proyecto consiste en la construccin del puente sobre el ro Jaruma, con el objeto de otorgar transitabilidad durante todo el ao a las poblaciones ubicadas a lo largo del tramo Catacora- Pairumani permitiendo de esta manera el desarrollo e impulsin de la actividad productiva, comercial y turstica de la regin.2. UBICACION

El puente Calajahuira donde existe la necesidad de la construccin de un puente se encuentra ubicada en la Segunda Seccin Catacora de la Provincia Jos Manuel Pando al sud oeste del Departamento de La Paz, como muestra la figura a continuacin:

Figura 1. Ubicacin del Proyecto

Especficamente el lugar del puente sobre el ro Jaruma tiene las siguientes coordenadas:Tabla 1. Coordenadas del Puente CalajahuiraNombre PuenteCoord. EsteCoord. Norte

Calajahuira4490008090536

El lugar para el puente Calajahuira se encuentra a 16,4 Km al sur de la poblacin de Catacora; como muestra en el mapa a continuacin:Figura 2. Ubicacin del Puente

El camino de acceso hasta el lugar del puente es de tierra con deficiencias de transitabilidad durante la poca de lluvias del ao.

3. METODOLOGIA

El estudio hidrulico fue realizado con la siguiente metodologa:

Figura 3. Metodologa de Anlisis

4. RECOPILACION DE INFORMACION

En primera instancia; para el estudio hidrulico se realiz una recopilacin y anlisis de informacin consistente en mapas temticos, imgenes satelitales, estudio hidrolgico; levantamientos topogrficos, morfologa fluvial, estudios de suelos en el ro Calajahuira y otros. Parte de esta informacin se encuentra en anexos al presente informe.A continuacin se muestra el levantamiento topogrfico realizado en la zona del proyecto:Figura 4. Emplazamiento del Puente en Planta

5. ESTUDIO HIDROLOGICO

El estudio hidrolgico realizado para el ro Calajahuira determino los siguientes caudales:Tabla 2. Periodos de RetornoRoPeriodo de Retorno100 aosPeriodo de Retorno150 aos

Ro Calajahuira45,41 m3/s48,77 m3/s

Los caudales indicados incluyen el caudal slido y el material flotante que podra reducir el rea hidrulica en el sector del puente. Para mayor informacin ver el componente de Hidrologa.

6. CARACTERISTICAS DEL SECTOR DEL PUENTELuego de la informacin preliminar recopilada y analizada se efectu una inspeccin a la zona del proyecto. La inspeccin fue realizada conjuntamente el especialista estructural y de diseo geomtrico a objeto de validar la informacin recopilada, definir alternativas para el alineamiento y caractersticas estructurales ms convenientes para el puente y recopilar informacin de campo como caractersticas del lecho, orillas, transporte de sedimentos y otros, finalmente se tomaron fotografas.

La siguiente fotografa muestra las caractersticas fsicas actuales del ro en el sector del puente:

Fotografa 1. Caracteristicas del Lecho y Orillas del Ro Calajahuira Aguas arriba (existen dos brazos del rio que se juntan aguas abajo, la profundudad del cauce es de 1,50 m aprox)

Fotografa 2. Rio Calajahuira Aguas Abajo (cauce unico; se puede ver una capa protectora o acorazamiento de bolones y sobretamaos, el cauce esta definido, la profundidad del cauce es de 1,50 m aprox.)

Aguas arriba del lugar de paso existen dos brazos del ro que se unen aguas abajo donde se recomienda construir el puente; los mrgenes estn definidos, la profundidad del cauce principal es de 1,50 m aproximadamente. El ancho del rio aguas abajo donde se juntan los dos brazos es de 14 m donde se proyecta el puente. Es necesario obras de encauce y proteccin aguas arriba y aguas abajo del lugar del puente.

Luego de la recopilacin y anlisis de informacin existente, inspeccin fsica al sector del proyecto; en gabinete se procedi a establecer los datos y parmetros hidrulicos necesarios para la modelacin como las secciones transversales aguas arriba y aguas abajo del sitio del puente, rugosidad del lecho y orillas, caudal de diseo, dimetro representativo del material del lecho y caractersticas geomtricas del puente; este ltimo en coordinacin con el especialista estructural.

Se puede evidenciar el acorazamiento del lecho por bolones y sobretamao en el sector del puente.

Segn el estudio de suelos se ha determinado que el tipo de suelo del lecho es grava pobremente gradada con limo y arcilla hasta una profundidad de 1,65 m. Se puede adoptar un valor D50=10 mm.

Fotografa 3. Calicata excavada para la clasificacin del suelo y ensayo SPT en el sector de los estribos

De acuerdo al estudio geofsico a ms 3,00 m de profundidad se tiene presencia de Ignibrita intercalada con roca; situacin que limitar la socavacin.

Figura 5. Estudio Geofsico del Puente

Luego de la recopilacin y anlisis de informacin existente, inspeccin fsica al sector del proyecto; en gabinete se procedi a establecer los datos y parmetros hidrulicos necesarios para la modelacin como las secciones transversales aguas arriba y aguas abajo del sitio del puente, rugosidad del lecho y orillas, caudal de diseo, dimetro representativo del material del lecho y caractersticas geomtricas del puente; este ltimo en coordinacin con el especialista estructural.

Previa a la modelacin hidrulica es necesario caracterizar la morfologa fluvial y definir los criterios hidrulicos adoptados en el presente estudio que se describen a continuacin:

7. CARACTERIZACION HIDRAULICA DEL ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL7.1. Morfologa Fluvial

Como se describi en el estudio hidrolgico; el ro donde se implementar el puente, recibe las aguas que escurren de la cuenca del ro Calajahuira que se caracteriza por ser cuenca de montaa cubiertas de escaza vegetacin. Las aguas transportan material de fondo (arenas, gravas y bolones) que proviene principalmente de la erosin de las cuencas altas.

Durante las crecidas los ros adems transportan material en suspensin que provienen de la erosin laminar de los suelos de las cuencas.

El ro Calajahuira de 5 Km de longitud y 15,48 Km2 de superficie de cuenca tiene las siguientes caractersticas en planta y perfil:

Figura 6. Planta Perfil del Rio Calajahuira

A lo largo del ro; la pendiente mxima es del 20% y la promedio 8%; las mximas estn en las subcuencas altas y las bajas en la zona del puente.

Los cursos menores de las subcuencas en general se encuentran en la zona alta de erosin y media de transporte de sedimentos y se caracterizan por ser de tipo recto. Los cursos mayores o principales se caracterizan por tener formas sinuosas y tienden a depositar material especialmente en las partes bajas y de poca pendiente.

7.2. Comportamiento hidrulico del ro Calajahuira

El tipo de flujo que predomina es el supercrtico, muy turbulento e irregular y con transporte de sedimentos durante las crecidas, debido a las pendientes existentes.Debido a las menores pendientes en el sector de los puentes; los cauces tienden a ser sinuosos; este fenmeno es atribuible al terrapln de la plataforma existente que interrumpe el flujo de agua que ha disminuido la pendiente del ro aguas arriba.

El lecho del ro se caracteriza por presencia de bolones de hasta 40 cm, gravas y arenas; se evidencia la formacin de una capa protectora constituida de los bolones de piedra que limita el proceso de erosin del lecho.7.3. Modificacin en el Tiempo de la geometra del ro Calajahuira

Las degradaciones (disminucin de cota) y agradaciones (aumento de cota) a gran escala son los cambios de la cota del lecho que ocurren sobre grandes longitudes y periodos de tiempo considerables debido a una natural tendencia del ro (geomorfologa e hidrulica del ro), cambios realizados por el hombre en la cuenca del ro (agricultura, deforestacin, etc.) o sobre el mismo ro (construccin de presas, extraccin de arenas y gravas del lecho, aprovechamiento de aguas).

Estos cambios tambin tienen que ser considerados en el diseo, para esto es necesario responder las siguientes preguntasrespecto al nivel del lecho en el rea del puente: Qu efectos tendrn los cambios en la cuenca en la cota del lecho?, El lecho se est degradando, agradando o est en equilibrio?, Qu cambios tendr el lecho en el futuro?. Las respuestas a estas preguntas no son fciles de responder y estn en funcin de la zona donde se encuentre el puente.

El perfil longitudinal del ro est compuesto bsicamente por tres tipos de pendientes: pendientes altas en la zona de erosin, pendientes relativamente bajas en la zona de transferencia y pendientes bajas en la zona de deposicin. El material del lecho en la zona de erosin se caracteriza por ser granular (peascos, canto rodado, grava y arenas), en la zona de deposicin se tiene lechos con material fino (limos, y arcillas) y en la zona de transferencia se tienen lechos entre los dos lmites.

La caracterstica fundamental es que la pendiente, el tamao y peso de los sedimentos disminuyen exponencialmente hacia aguas abajo. Esto se le suele atribuir a la abrasin de las partculas.

La zona de erosin ocupa un 15 % de la longitud total del ro, la zona de transferencia 75 % y la zona de deposicin 10 %. La erosin y transporte de sedimentos del lecho es mayor en la primera zona debido a las elevadas velocidades, en la zona de deposicin las velocidades son bajas y se presentan los problemas de deposicin de sedimentos y en la zona de transferencia se pueden encontrar deposiciones y socavaciones.

En la zona de erosin la tasa de erosin del lecho es elevada por lo que las pilas y estribos de puentes corren el peligro de socavaciones grandes y el choque de rocas de considerable tamao que podran destruir las pilas. En la zona de deposicin existe un aumento progresivo del nivel del lecho, por lo que los niveles de agua podran aumentar disminuyendo la revancha del puente lo que podra ser peligroso en poca de crecidas.

Las variaciones que tenga el ro en su perfil longitudinal (degradacin y agradacin) definen la profundidad de las fundaciones de las pilas y estribos.

Las variaciones a gran escala en el tiempo y espacio de las formas del ro (en planta y perfil) pueden ser evaluadas mediante modelos fsicos y matemticos, sin embargo los resultados que proporcionen estos tienen que ser tomados con escepticismo si no se conoce el proceso fsico real del ro.

El puente del ro Calajahuira estar ubicado en la zona de transicin entre la zona de transferencia y deposicin donde los riesgos de erosin son bajos.

En general el cauce del ro Calajahuira es recto y no han sufrido cambios mayores en planta debido a que se encuentran restringido por las serranas entre las que se encuentra; en todo caso, para garantizar el flujo hacia las obras de drenaje se prev obras de encauzamiento consistente en muros de gaviones aguas arriba y aguas abajo que garanticen que el flujo siempre pase por lugar esperado.

8. CRITERIOS ADOPTADOS EN EL DISEO HIDRAULICO8.1. Parmetros de DiseoLos parmetros de diseo a considerar en el diseo hidrulico del puente corresponden al establecido en el Manual de la ABC para carreteras de la red fundamental; como establecen los Trminos de Referencia; el tramo vial donde se encuentra el ro Calajahuira es clasificado como camino por lo tanto se adoptaran los valores de periodo de retorno correspondientes a este tipo de va:Tabla 3. Perodo de Retorno para Diseo

De acuerdo a la anterior tabla; el puente Calajahuira ser diseado para un periodo de retorno de 100 aos el cual deber ser verificado a 150 aos. La vida til del puente debe ser al menos 50 aos.

De preferencia, los puentes trabajaran a superficie libre (teora del flujo en canales abiertos) es decir, la lmina de agua no alcanza las vigas de apoyo de los puente. De acuerdo al Manual de Drenaje de la ABC. Se considera una altura libre (revancha) de 1.00 m entre el nivel de crecida mxima extraordinaria (NAME) y la parte inferior de las vigas. En la siguiente seccin se detalla la metodologa aplicada para el diseo.

8.2. Clculo Hidrulico

Para la definicin de los valores del NAME se utilizar el programa HEC RAS (River Analysys Systmen), elaborado por el Corps Engineering de los E.E.U.U. recomendado por la FHWA.

El modelo HEC RAS tiene como base el modelo HEC 2 que son aplicados a nivel mundial en ingeniera hidrulica y se elabor para contribuir a determinar el perfil hidrulico y velocidades en ros y canales revestidos.

El modelo hidrulico HEC-RAS es unidimensional que resuelve numricamente las ecuaciones hidrodinmicas de flujo as como ecuaciones empricas del clculo de erosin. Si bien ya existen actualmente modelos tri-dimensionales ms sofisticados, ellos an no son empleados en casos prcticos por las limitaciones de datos y capacidad de las computadoras.

El mtodo presenta las limitaciones siguientes:La pendiente longitudinal del ro debe ser menor al 10%; es decir, los resultados del clculo hidrulico son ms exactos cuanto menor sea la pendiente del ro; para pendientes mayores al 10% los resultados presentan errores.

El contorno o frontera se considera como lecho rgido indeformable, lo cual es cierto para estructuras artificiales, pero no para cauces aluviales donde hay lecho mvil.

Se asume que una de las direcciones prevalece sobre las otras dos. Esta direccin es la longitudinal a lo largo del eje del ro o canal.

La informacin topogrfica e hidrulica se introduce mediante secciones transversales, en las cuales se calcula tirantes y velocidades promedio en todas las secciones transversales.

Se hace balance energtico en una seccin y se pasa a la siguiente hasta la ltima. Si existieran problemas de convergencia en una seccin, entonces se asume el tirante crtico para continuar el clculo.

Toda la seccin transversal se representa por un nico valor medio de velocidad no considerndose variaciones en la distribucin de velocidades tanto horizontal como verticalmente.

Se asume por defecto que el flujo es perpendicular a la seccin transversal.

Se aplica a tramos de ro y canales generalmente muy largos, mayores a 10 veces el ancho y cuando se busca determinar el mximo nivel de agua.

El modelo puede ser usado para determinar el perfil de flujo y velocidades a lo largo del ro o canal. El modelo es capaz de incorporar estructuras trasversales y longitudinales.

El HEC RAS realiza el clculo hidrulico con la siguiente rutina:Para determinar la elevacin de la superficie de agua en una seccin transversal, se procede a calcular en forma iterativa las Ecuaciones 1 y 2. La Ecuacin 1, es conocida como Ecuacin de la Energa

(Ecuacin 1)

Donde Y1, Y2 es la profundidad del agua en la Seccin Transversal, Z1, Z2 es la elevacin del lecho del tramo, V1,V2 son las velocidades promedio (Q total / A total), 1, 2 son los coeficientes de velocidad para ambas secciones, g es la aceleracin de la gravedad, y he es la Prdida principal de Energa.

La prdida principal de energa (he) entre dos secciones transversales est relacionada con prdidas por friccin y prdidas por contraccin y expansin. La ecuacin para la prdida principal de energa se aprecia en la ecuacin 2.

Ecuacin (2)Donde: L es la Longitud del tramo, Sf la Pendiente de friccin entre dos secciones, y C es el Coeficiente de prdida por expansin o contraccin.

El clculo de las velocidades de flujo y tirantes de agua se realiza de forma iterativa; en el presente estudio el clculo hidrulico ser realizado con el modelo HEC-RAS; los datos necesarios son la superficie topogrfica, el caudal de diseo y condiciones de contorno.8.3. Clculo de la Socavacin

Despus de la ejecucin de los clculos del perfil de superficie de agua para los caudales de diseo y velocidades de flujo, la erosin del puente puede entonces ser evaluada. La socavacin total en un puente est compuesto de tres componentes: socavacin a largo plazo; socavacin por contraccin; y socavacin local en pilares y estribos.

La socavacin (o sedimentacin) a largo plazo debe ser evaluada antes de la ejecucin del anlisis de la socavacin local del puente. La socavacin alrededor de pilas y estribos de puentes depende de las magnitudes de la velocidad del flujo y del tipo de sedimento del lecho del ro en el sector. A mayores velocidades y tirantes de flujo se presentaran mayores socavaciones; a menor tamao o dimetro de sedimentos se presentaran mayores profundidades de socavacin.La socavacin tambin depende del tamao y forma de las pilas y estribos de puentes; cuanto mayor sea la dimensin que obstruye el flujo mayor ser la socavacin. Si la forma de la estructura es tal que la obstruccin al flujo es mnima menores sern las socavaciones; es decir, para formas y disposiciones hidrodinmicas de las pilas y estribos de puentes menores sern las socavaciones en caso contrario las socavaciones sern mayores.

La profundidad de socavacin depender tambin del tipo de sedimentos existentes en sentido vertical; es decir, de los diferentes tipos de estratos por debajo de la superficie del lecho del ro.

El fenmeno de socavacin ha sido ampliamente estudiado; sin embargo, el fenmeno es tan complejo debido a que tiene que ser analizado en 3D y como una combinacin de flujo de agua y sedimentos que resultan en ecuaciones complejas o imposibles de resolverlas analticamente. Es por esta razn; que se han realizado diferentes modelos hidrulicos en laboratorio para el comprender el fenmeno y establecer ecuaciones empricas que ha sido validados con datos medidos.

A continuacin se describen los mtodos ms utilizados en los clculos de socavaciones en pilas y estribos de puentes:8.4. Socavacin por Contraccin8.4.1. Mtodo de Laursen (1960)

Es la socavacin que se produce por el incremento de velocidades debido a la disminucin de la seccin transversal del ro en el sector del puente ocasionado por el terrapln de los accesos u obras de encauzamiento. La profundidad de socavacin depende de la condicin de transporte de sedimentos aguas arriba del puente; cuando las velocidades de flujo aguas arriba del puente son tales que existe erosin y transportan sedimento hacia el puente se habla de LIVE BED SCOUR (socavacin con lecho mvil aguas arriba); cuando no existe erosin ni transporte de sedimentos de aguas arriba del puente se habla de CLEAR WATER SCOUR (socavacin con agua clara).

Las siguientes ecuaciones fueron determinadas en base a las determinadas por Laursen (1960) modificadas por el Departamento de Transporte de Los Estados Unidos en la Hydraulic Engineering Circular N18 (HEC-18):

LIVE BED SCOUR LBS (socavacin con lecho mvil aguas arriba)

ys=profundidad de socavaciny2= profundidad media del flujo en la seccin contrada con lecho socavadoy1= profundidad media de flujo aguas arriba yo= profundidad media de flujo en la seccin contrada antes de la socavacinQ1= caudal aguas arribaQ2= caudal en la seccin contradaW1=ancho del rio aguas arribaW2=ancho del rio en la seccin contradaK1=valor que depende de la forma de transporte de sedimentos aguas arriba (0,59 flujo con transporte de sedimentos de fondo y 0,69 transporte de sedimentos en suspensin)CLEAR WATER SCOUR CWS (socavacin con agua clara)

ys=profundidad de socavaciny2= profundidad media del flujo en la seccin contrada con lecho socavadoy1= profundidad media de flujo aguas arriba Q2= caudal en la seccin contradaW2=ancho del rio en la seccin contradaDm=1.25D50

La socavacin por contraccin se da por el solo hecho de reducir la seccin del ro y no depende la presencia de pilas y/o estribos de los puentes. 8.4.2. Socavacin local en pilas

La socavacin local en pilas es debido a la obstruccin directa del flujo por la estructura. La interrupcin al paso del agua produce chorros de agua en sentido vertical hacia sobre la superficie de la pila que socavan el lecho alrededor de la las pilas.8.4.2.1. Mtodo de La C.S.U.(1993)

Richardson et al. (1975, 1993) despus de estudios en el laboratorio de la Universidad del estado de Colorado proponen la siguiente ecuacin recomendada por el Departamento de Transporte de Los Estados Unidos en la Hydraulic Engineering Circular N18 (HEC-18):

La curva terica ajustada y los datos medidos son mostrados en la Figura siguiente:

Figura 7. Curva ajustada y datos medidos del Mtodo de la C.S.U.

El factor KFL es un factor que toma en cuenta la forma del lecho. Para lecho plano KFL = 1.1; cuando se tiene dunas sobre el lecho KFL = 1.3y cuando se tiene antidunas KFL = 1.2 y se obtiene en todos los casos la profundidad mxima de socavacin. Los factores de forma y ngulo de ataque se obtienen de la siguiente tabla:Tabla 4. Factores de Forma y ngulo de Ataque

El lecho plano es comn en las crecidas segn estos autores y que el valor mximo de ysl/y1 =2.4 cuando Fr 0.8 y 3.0 cuando Fr > 0.8. Este mtodo es vlido para CWS y LBS y fue verificado con los datos de Chabert y Engeldinger (1956) para dimetros medios de sedimentos iguales a 0.52 y 0.26 mm. Richardson et al. (1975) utilizo d50 = 0.24 mm. en sus ensayos; en un grfico se vio que la ecuacin terica se aproxima a los datos medidos. De acuerdo a la tabla anterior el mtodo puede ser aplicado cuando 4 l/b 12 y para la forma de pilas mostradas.

Se recomienda el uso de la ecuacin CSU (agua clara o cama viva) que se puede expresar de dos maneras:Ys / Y1= 2.K1. K2. K3. K4 (a/ Y1) 0.65 Fr1 0.43 Ys/ a = 2.K1. K2. K3. K4 (Y1/a) 0.35 Fr1 0.43Donde:

Ys.- Profundidad de socavacin [m]Y1.- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]K2.- Correccin por el ngulo de ataque del flujoK1.- Correccin por la forma de la pila (ver tabla)K3.- Correccin por la condicin del lechoK4.- Correccin por la posibilidad de acorazamientoa.- Ancho de pila [m]8.4.2.2. Socavacin local en estribos de puentes

8.4.2.2.1. Mtodo de Hire

Determina la profundidad de socavacin con la siguiente relacin:

Donde:ys=profundidad de socavaciny1= profundidad de flujo aguas arriba en el sector del estriboK1= factor que depende la forma del estriboK2=factor que depende del ngulo de ataque del estriboFr1=nmero de froude aguas arriba del estriboTabla 5. Valores de K1

8.4.2.2.2. Mtodo de la C.S.U. (1975)

Usando datos de campo coleccionados en spur dikes con L/y1 > 25 sobre el ro Mississipi, la Universidad del Estado de Colorado C.S.U. propuso la siguiente ecuacin para el clculo de la profundidad de socavacin de equilibrio:

Se pudo observar mucha dispersin en los datos; esto se atribuye a que en realidad no se midieron las profundidades de equilibrio. Las variaciones fueron debidas al paso de dunas de hasta 20 a 30 pies de alturay el tiempo correspondiente al movimiento de las dunas es mucho mayor al tiempo requerido para formar los huecos de socavacin local en la condicin LBS sobre lechos de arena. No obstante, estos datos representan el lmite en escala de las profundidades de socavacin, de acuerdo a comparaciones con datos de laboratorio, es decir, se permite la extrapolacin de laboratorio a casos reales de campo.

Este mtodo considera flujo sobre las orillas, no interesa la posicin del estribo y es vlido tanto para LBS como para CWS. Puede usarse para cualquier forma de estribo que cumpla L/y1 > 25; es decir, para estribos largos, y perpendiculares al flujo. Debido a que los datos utilizados corresponden a lechos de arena se obtendrn resultados mas confiables en este tipo de lechos. No se midieron valores de socavacin mayores a 4y1.8.4.2.3. Socavacin Total en pilas y estribos

La socavacin total en pilas y estribos de puentes se calcula sumando la socavacin por contraccin a la socavacin local en pilas y a la socavacin local en estribos; con lo cual se obtiene, una seccin socavada del rio, como muestra la figura a continuacin:Figura 8. Socavacin de Estribos

Para el clculo de la socavacin total en las pilas y estribos del puente se adoptaran los siguientes mtodos:

Socavacin por contraccin: mtodo de Laursen Socavacin en Estribos: Mtodo de Hire Socavacin en Pilas: no se prev pilas intermedias en el puente

El Hec Ras incorpora mtodos de clculo de socavacin; en el presente caso se adoptaran los mtodos de Laursen modificado para la socavacin por contraccin y el Mtodo de Hire para el clculo de la socavacin local en los estribos de los puentes aplicables a las condiciones especficas del proyecto.Los variables hidrodinmicas y geomtricas de los puentes son determinadas por el HEC RAS y junto con las caractersticas del material del lecho D50 y otros calcula las profundidades de socavacin locales y totales.Las caractersticas del material del lecho en el sector del puente sern determinadas de los estudios de suelos (SPT) los cuales actualmente estn siendo procesados para el clculo de socavaciones.8.4.3. Rugosidad del ro (coeficiente de rugosidad de Manning)Este coeficiente es el que nos proporciona el grado de resistencia del lecho del ro, y est relacionado con la morfologa del ro y la conformacin de materiales del cauce del ro. El valor de este coeficiente para los ros mencionados se determin mediante el mtodo de COWAN. Este mtodo consiste en estimar el coeficiente de resistencia en donde implica la seleccin de un valor bsico para un canal uniforme, recto y regular en un material nativo y entonces modificar este valor por la adicin de los factores de correccin que se determinan mediante una consideracin crtica de algunos de los factores los cuales comprende:

Material involucrado. Vegetacin. Irregularidad del canal. Obstrucciones. Variaciones de la seccin transversal. Grado de los efectos por meandros.

En este proceso, es necesario que cada factor se considere y evale independientemente. Para determinar el valor de n se aplica la siguiente ecuacin y tabla.

n= (n0 + n1 + n2 + n3 + n4)*m5

Tabla 6. Valores de n

Para el ro Calajahuira se tomaron los siguientes valores:

no=0,28 (grava gruesa) n1=0,05 (grado de irregularidad menor) n2=0,05 (variacin de la seccin transversal ocasionalmente alterna) n3=0,01 (obstrucciones menores) n4=0,005 (poca vegetacin) n5=1 (no existen meandros)

Aplicando la formula combinada se obtiene el siguiente valor de rugosidad:

n=(0,28+0,05+0,05+0,01+0,005)*1=0,395Asumimos n=0,408.4.4. Caractersticas del Puente

El ancho del ro Calajahuira en el sector del camino es de 30 m; sin embargo, el ancho promedio aguas arriba y aguas abajo es de 14 m. El mayor ancho en el sector del camino se debe al efecto presa u obstruccin del camino existente que disminuy la pendiente del ro en el sector y por lo tanto incremento el ancho del espejo de agua. Ser necesario encauzar el ro hacia aguas arriba (20 m) y hacia aguas abajo (10 m).

Por razones de seguridad se adopta una longitud de puente de 30 m. A continuacin se indican las caractersticas del puente a construir:

Tabla 7. Caractersticas de los puentesLongitud PuenteTipo de PuenteAncho TableroAltura total superestructuraEsviajeAltura entre el lecho del ro y parte inferior vigas

30 m1 solo tramoTablero de HA y vigas de HP sin pilas intermedias, dos estribos de HA apoyados sobre pilotes8,30 m (losa)1,88 m23 respecto a lnea perpendicular a la direccin del rio2,60 m

Las siguientes figuras muestran las caractersticas del puente:

Figura 9. Planta y Perfil del Puente Calajahuira

8.4.5. Planta, Perfil longitudinal y Secciones Transversales del Ro Calajahuira

La plata, el perfil longitudinal y secciones transversales fueron obtenidos del plano topogrfico y con la ayuda del CIVIL 3D los cuales fueron importados al HEC RAS para el clculo hidrulico:PlantaA continuacin se muestra el ro Calajahuira en planta, las secciones transversales consideradas, los bordes de las orillas (puntos rojos), el puente, la transicin al ingreso y salida del puente (puntos verdes).

Las secciones transversales al ro son numeradas de mayor (1451,06) a menor (1000). La direccin del flujo de derecha para izquierda como indica la flecha en la siguiente figura:

Figura 10. Modelacin del Puente Calajahuira Hec Ras

Perfil longitudinalLa siguiente figura muestra el perfil longitudinal del ro calajahuira y la ubicacin del puente. Como se puede ver la pendiente del ro es aproximadamente uniforme. Los puntos en el perfil indican la ubicacin de las secciones transversales.

Figura 11. Perfil Longitudinal empleado en el Hec Ras

Secciones TransversalesLas secciones transversales al inicio, en el puente y al final en el ro Calajahuira se muestran en las siguientes figuras:

Figura 12. Secciones Transversales empleadas en el Hec Ras

El resto de las secciones se las puede ver en el HEC RAS.Calculo Hidrulico Datos Introducidos

Caudal de diseo Qd (m3/s)=45,41 Caudal de verificacin Qd (m3/s)=48,77 Rugosidad de Manning n=0,04 Cota mnima del lecho en el sector del puente: 4092,10 msnm Secciones Transversales=se introducen las secciones obtenidas del levantamiento topogrfico Pendiente longitudinal=hec ras toma de la topografa introducida como dato para el clculo de pendientes seccin a seccin Condiciones de Contorno: se tom la pendiente crtica que calcula el programa

ResultadosFigura 13. Vista en 3D

Figura 14. Perfil Longitudinal con el emplazamiento del puente

Figura 15. Seccin Transversal en el sector del puente

Resultados

Tr=150 aosTirante de Agua Mximo en el Sector del puente: 1,30 mNAME: 4093,32 msnmAncho del Espejo de Agua en el sector del puente: 17,20 m Velocidad de Flujo en el sector del puente: 4,77 m/segNmero de Froud: 1,81

Socavacin en Estribos

No existe debido a que los estribos estn ubicados por encima del NAME para 150 aos.

Otros resultados: ver cuadro a continuacin:Tabla 8. Valores Obtenidos en la modelacin con el Hec Ras

8.5. Obras de Encauce y Proteccin

Para garantizar el flujo a travs del puente y considerando que la profundidad del ro es pequea, es necesario proyectar obras de encauce consistentes en muros de gaviones y colchonetas reno para proteger los mismos de la socavacin.

Figura 17. Obras de Encauce y Proteccin

El tirante mximo de aguas es 1,30 m; por lo tanto, una altura total de muro de 2,0 m apoyado sobre colchonetas tipo reno suficiente en una longitud de 20 m aguas arriba y 10 m aguas abajo en ambas orillas. Debido a que los efectos de socavacin no son considerables los muros pueden fundarse a 0,80 m sobre las orillas. El muro de encauce necesario se muestra a continuacin:

Figura 18. Vista Frontal de las Obras de Encauce y Proteccin

8.6. SISTEMA DE DRENAJE EN LOS ACCESOS8.6.1. DRENAJE LONGITUDINAL

En los accesos a los puentes se consideraran obras de drenaje de plataforma longitudinal como cunetas y zanjas de coronamiento as como drenaje subterrneo en casos necesarios.El trazo est definido por el camino existente y la configuracin topogrfica del terreno, existen secciones en corte y terrapln con sus respectivas pendientes, el drenaje lateral a la va, cunetas de proteccin de taludes o zanjas de coronamiento. El aporte de agua hacia cada elemento de drenaje, tambin viene definido por el diseo geomtrico de la va.Por otra parte la premisa bsica de este trabajo es que El fin ltimo del diseo de las obras de drenaje de plataforma es mantener la carretera libre de inundaciones para la probabilidad de ocurrencia de la precipitacin de diseo.Por lo tanto, el dispositivo de drenaje que se utilice tendr una capacidad mayor al caudal hidrolgico determinado para una lluvia breve que se presente con una duracin igual a la inicial que permita el comienzo del escurrimiento, luego de pasar la infiltracin de la lluvia en el suelo y el anegamiento del rea, aadiendo luego el tiempo que tarda la avenida en transportarse por el dispositivo. Esta lluvia est prevista para un perodo de retorno de 10 aos y suponiendo que no existir inundacin de aguas superficiales al estar los dispositivos por debajo de la capa de subbase.La velocidad de transporte del agua por el elemento de drenaje, se fija en un mximo de 4.5 m/s, al ser revestida, no tanto por el dao que pueda sufrir el hormign que de hecho resiste velocidades mayores, sino por la proteccin al dispositivo que debe ser colocado al final del mismo, para luego verterlo a una quebrada, o a otro dispositivo. En los sitios donde las velocidades superen el valor mximo para las condiciones de terreno, se construir el dispositivo que evite la erosin al disipar la energa.Todos los elementos de drenaje sern revestidos y concluirn en quebradas o en otro elemento de tal manera de evitar el desfogue directo al terreno natural desnudado a no ser que sea roca.Durante la ejecucin de la obra, el alineamiento de los dispositivos al igual que su llegada y pendientes sern revisadas y acondicionadas a los cortes o terraplenes que se efecten en obra.A continuacin se presenta la disposicin de los elementos de drenaje que sern utilizados en la obra.

Cunetas de Corte

Las descargas de las cunetas donde ha sido posible se conect directamente sobre las obras de entrada y salida de las alcantarillas (cabezal, cajas), y en los sitios donde se realiza la salida a los cursos naturales directamente, al terreno natural, considerando obras de control de erosin, y como mnimo un zampeado de piedras con mortero si las velocidades sobrepasan los 4,5 m/s.

Figura 19. Cunetas de Corte

Cunetas de Banquina de corteEn cortes que superan los 8 m, es necesario efectuar cunetas que permitan el desfogue del agua hacia las partes bajas de ellas, llegando hasta la superficie de la carretera a travs de bajantes o ser conducidas hasta los cursos naturales del agua. La banquina del nivel superior (ltima banquina), est por debajo de la zanja de coronamiento, la banquina del 1er nivel y las sucesivas se cuentan desde la plataforma de la va.Las cunetas de banquina de corte, por su reducida capacidad y alto riesgo de colmatacin de materiales sueltos o erosin superficial del talud de corte, precisan de canales bajantes localizados al final de la extensin del dispositivo y que estn indicados en el punto de Bajantes. Este tipo de cunetas sern revestidas y su geometra es la que se aprecia en el esquema.

Figura 20. Cunetas de Banquinas de Corte

Cunetas al pie de terraplnComo seala su nombre estn al final de los terraplenes cuando se llega al terreno natural y se localizarn, mnimo a una distancia de 3.00 m del borde, esto con el fin de evitar su colmatacin con materiales erosionados del talud debido a la fuerte pendiente. La geometra del dispositivo es la que se muestra en el esquema.

Figura 21. Cunetas al pie del Terrapln

Cunetas o banquinas intermedias de terrapln.

La concepcin de estos elementos es parecido a las cunetas de corte de banquina, deben ser efectuados sobre terreno compactado que forma el talud y ser desfogados mediante bajantes hasta el pie de talud o llevados hacia los cursos naturales de agua y protegidos en su salida, mediante alguna obra que evite su erosin si al velocidad supera los 3 m/s .

Figura 22. Cunetas o Banquinas Intermedias de Terrapln

Zanjas de coronamientoLas zanjas de coronamiento, es el elemento ms alejado y elevado de las zanjas de corte, no siempre presentan regularidad en su alineamiento o paralelismo a la plataforma, puesto que los mismos lo que pretenden es evitar flujo hacia las cunetas de corte. Las zanjas sern revestidas, pues la configuracin general del terreno es suelo erosionable o roca descompuesta

Para las zanjas de coronamiento se consideran velocidades que no superen los 3.5 m/s. No son paralelas al camino a fin de evitar pendientes fuertes al finalizar su trayectoria y aproximarse a la carretera, se conducir el trazo del canal hacia el interior de la hoya, siguiendo las pendientes admisibles para el tipo de terreno. Para laderas ms empinadas, se prev un perfil escalonado (con saltos a lo largo del perfil) para reducir la velocidad.

Figura 23. Zanjas de Coronamiento

Bordillos-cunetaEn previsin de erosin hdrica del talud del terrapln, que es alta, en el lado interior de las curvas horizontales y en los sitios donde no hay curvas y las plataformas tengan altura mayor a 2.0 m se construirn Bordillos, compuesto de un bloque de hormign que sobresalga 0.40 m de la plataforma, que permita concentrar el agua a la parte inferior del perfil y desage con canal bajante ya sea por el propio terrapln o por sus costados hacia las cunetas al pie de terrapln. La forma y dimensiones se muestran a continuacin.

Figura 24. Bordillos de Cuneta

Canales bajantes Se utilizarn para la proteccin contra la erosin de los taludes transfiriendo las aguas recogidas por las cunetas laterales e interceptores hasta cauces ubicados al pie de los taludes de corte y terrapln o llegadas hacia otras obras. Sern canales de seccin rectangular, del tipo vertederos de hormign armado anclados al talud de corte y en el caso de terraplenes apoyados sobre el cuerpo del mismo, esto en previsin del asentamiento diferencial que se produce en rellenos artificiales. Sern todos vertederos al no tener declives de razn mayor a 4:1. Al finalizar dispondrn de disipadores de energa, (cadas y colchn de agua, cajas disipadoras) y luego fragmentos de roca o de mortero de cemento.

Se tienen dos tipos, uno para bajantes de bordillo y el otro para bajantes de cunetas intermedias de corte o terrapln o cunetas de corte hasta alcanzar las alcantarillas.

Disipadores hidrulicosA la salida de alcantarillas y de los elementos cuya velocidad del agua de salida supere los 4,5 m/s, se colocaran disipadores acorde con la magnitud del caudal y las obras de llegada. Los disipadores podrn ser de zampeado de piedra, hormign simple, hormign ciclpeo, hormign armado o gaviones, colocados de tal forma que reduzcan las velocidades de flujo ya sea con rugosidades o cadas.

Figura 25. Disipadores Hidrulicos

La pendiente de cada elemento ser obtenida del diseo geomtrico; en las obras longitudinales paralelas a la carretera la pendiente es similar al de la carretera, pendiente de bajantes igual al talud por el cual descendern la bajante y para las zanjas de coronamiento adoptando una pendiente que permita no pasar la velocidad lmite de 3.0 m/s, el drenaje podr ser directamente excavada en roca firme o revestida con mampostera de piedra, hormign ciclpeo u hormign simple donde el flujo deber limitarse a 4.5 m/s y discurrir hacia un curso natural.

Los caudales de funcionamiento correspondientes a una precipitacin mxima con un periodo de retorno de 10 aos.

SubdrenesSe prev dos tipos de subdrenes, el horizontal que acompaa al pavimento denominado subdren longitudinal y los drenes de penetracin en roca o subdrenes profundos en los taludes de corte y sectores donde se evidencia afloramientos de aguas subterrneas..

El subdren tiene la funcin de captar las aguas del nivel fretico (talud de corte), las de infiltracin directa de lluvia a travs del pavimento, de los cursos de agua, acumulaciones de agua en las partes altas, canales prximos, etc y finalmente las aguas que ascienden desde las capas permeables por capilaridad.

La presencia de agua dentro del pavimento y la zona adyacente, se debe principalmente a la precipitacin en el rea de influencia de la va y a la absorcin de humedad desde el nivel fretico por los vasos capilares.

Otra parte importante de la accin del agua no superficial, lo constituye la infiltracin del agua a travs de la superficie de la va, el nivel de agua, normalmente tiene como base el pie de talud (fallas de pie), excepcionalmente se encuentra suspendido por un manto impermeable dentro del talud (fallas a media ladera) o corrientes que atraviesan la plataforma por algn plano de falla (o fractura rocosa). Estas presencias de agua, llevan a la necesidad de prever subdrenes horizontales longitudinales, prcticamente en toda la extensin de los pies de talud interior, con el fin de proteger los taludes y la va y diferencindolos por la constitucin del suelo o roca para disponer el tipo de subdren adecuado. Estos elementos de drenaje se los denomina Drenes longitudinales profundo y aquellos que atraviesan los taludes de manera vertical u oblicua penetrando en la roca, se llaman Drenes de penetracin.

Figura 26. Subredenes.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEn el presente estudio se han definido los parmetros y criterios del diseo hidrulico del puente Calajahuira.

Se ha realizado la modelacin hidrulica del proyecto; es decir, se determin el perfil de flujo, espejos de agua (NAME), velocidades y otras variables hidrodinmicas. El tirante de flujo determinado en el sector del puente es 1,30 m que alcanzar la cota (NAME) 4093,32 msnm para Tr=150 aos. La cota de la parte inferior de las vigas del puente es de 4096; es decir, existe una revancha de 2,68 m superior al mnimo de 1 m.

Debido a que los estribos estarn ubicados sobre el nivel del NAME no se prev socavaciones alrededor de los mismos; sin embargo, se debe verificar la estabilidad de los estribos debidos a empujes laterales y/o erosin lateral de las orillas.

En los accesos a los puentes se debe disear el drenaje de plataforma correspondiente. Las cunetas de corte deben ser revestidas y concluir en dispositivos del drenaje transversal. Se deben considerar dispositivos de bajantes a fin de evitar que se provoque erosin en la llegada y prever un dispositivo de salida cuya finalidad sea canalizar adecuadamente el flujo del agua a la salida de una cuneta.

En casos necesarios deben considerarse cunetas al pie del terrapln que deben estar alejadas del pie del talud, al menos 3m y concluir en el terreno natural, alejadas del borde del terrapln para evitar la erosin retrograda.

El drenaje subterrneo debe constar de drenes paralelos a a los accesos en los sitios que eviten su accin al pavimento.

Un adecuado sistema de drenaje superficial y subterrneo garantizara la vida til de los accesos y los puentes.