Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje (10 - Agosto 2011) - Jrp

MANUAL DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y DRENAJE

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MANUAL DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y DRENAJE NDICE

CAPITULO I I. INTRODUCCIN 12 CAPITULO II II. OBJETIVOS 16 2.1 Objetivo 16 2.1.1 Objetivo General 16 2.1.2 Objetivos Especficos. 16 2.2 Antecedentes. 16 CAPITULO III III. HIDROLOGA 19 3.1 Alcances .. 19 3.2 Factores Hidrolgicos y Geolgicos que inciden en el Diseo Hidrulico de las Obras de Drenaje 20 3.3 Estudios de Campo . 20 3.4 Evaluacin de la Informacin Hidrolgica 21 3.5 rea del Proyecto - Estudio de la(s) Cuenca(s) Hidrogrfica(s) . 22 3.6 Seleccin del Perodo de Retorno 23 3.7 Anlisis Estadstico de Datos Hidrolgicos 25 3.7.1 Modelos de distribucin 25 3.7.1.1 Distribucin Normal 26 3.7.1.2 Distribucin Log Normal 2 Parmetros . 26 3.7.1.3 Distribucin Log Normal 3 Parmetros 27 3.7.1.4 Distribucin Gamma 2 Parmetros 28 3.7.1.5 Distribucin Gamma 3 Parmetros 28 3.7.1.6 Distribucin Log Pearson Tipo III 29 3.7.1.7 Distribucin Gumbel .. 29 3.7.1.8 Distribucin Log Gumbel .. 30 3.7.2 Pruebas de bondad de ajuste 30 a) Prueba x2 30 b) Prueba Kolmorov Smirnov .. 32 3.8 Determinacin de la Tormenta de Diseo . 33 3.8.1 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia.. 33 3.9 Tiempo de Concentracin 38 3.10 Hietograma de Diseo 40 3.10.1 Mtodo del Bloque Alterno 41 3.11 Precipitacin total y efectiva 42 3.11.1 Mtodo SCS para abstracciones . 42 3.12 Estimacin de Caudales 48

3

3.12.1 Mtodo IILA 49 3.12.2 Mtodo Racional 49 3.12.2.1 Mtodo Racional Modificado 50 3.12.3 Hidrograma Unitario 52 3.12.3.1 Obtencin de hidrogramas unitarios 54 3.12.3.2 Hidrogramas sintticos . 54 a) Hidrograma sinttico triangular del SCS .. 55 b) Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder 57 3.12.4 Sistema de Modelamiento Hidrolgico (HMS-Hydrologic Modeling System) 58 3.12.5 Otras Metodologas 62 3.13 Avenida de Diseo.. 65 CAPITULO IV IV. HIDRULICA Y DRENAJE . 68 4.1 Drenaje Superficial 68 4.1.1 Drenaje transversal de la carretera . 68 4.1.1.1 Aspectos generales . 68 4.1.1.2 Premisas para el estudio 68 a) Caractersticas topogrficas 68 b) Estudio de cuencas hidrogrficas 69 c) Caractersticas del cauce . 69 d) Datos de crecidas 69 e) Evaluacin de obras de drenaje existentes 69 4.1.1.3 Alcantarillas 70 4.1.1.3.1 Aspectos generales 70 4.1.1.3.2 Ubicacin en planta 71 4.1.1.3.3 Pendiente longitudinal . 71 4.1.1.3.4 Eleccin del tipo de alcantarilla 71 a) Tipo y seccin 71 b) Materiales . 73 4.1.1.3.5 Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseo de una alcantarilla 73 4.1.1.3.6 Diseo hidrulico . 74 4.1.1.3.7 Consideraciones para el diseo . 77 a) Material slido de arrastre 77 b) Borde libre .. 79 c) Socavacin local a la salida de la alcantarilla . . 79 d) Mantenimiento y limpieza . 80 e) Abrasin 81 f) Corrosin 81 g) Seguridad y vida til 82 4.1.1.4 Badenes . 83 4.1.1.4.1 Consideraciones para el diseo 84

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a) Material slido de arrastre 84 b) Proteccin contra la socavacin 84 c) Pendiente longitudinal del badn 85 d) Pendiente transversal del badn . 85 e) Borde libre 85 4.1.1.4.2 Diseo hidrulico 85 4.1.1.5 Puentes 86 4.1.1.5.1 Aspectos generales 86 4.1.1.5.2 Consideraciones para el diseo .. 87 a) Informacin bsica 87 a.1) Topografa Batimetra del cauce y zonas adyacentes 88 a.2) Ubicacin del puente 89 a.3) Muestreo y caracterizacin del material del lecho 91 a.4) Avenida de Diseo o Caudal Mximo y Perodos de Retorno...92 a.5) Glibo o Altura libre 93 a.6) Coeficiente de rugosidad de cauces naturales (n de Manning) 94 a.7) Fajas Marginales 97 a.8) Evaluacin de obras existentes e informacin adicional 98 4.1.1.5.3 Parmetros Hidrulicos para el Diseo de Puentes 99 a) Perfil de flujo 99 b) Socavacin 99 4.1.1.5.4 Clculo Hidrulico 100 a) Clculo de niveles de agua 100 a.1) Consideraciones 101 b) Estimacin de la Socavacin 102 b.1) Procesos de socavacin asociados al diseo de puentes 102

b.2) Socavacin General 103 b.2.1) Mtodo de Velocidad Crtica y Agua Clara 104 b.2.2) Mtodo de Lischtvan Levediev 105 a) Para suelos granulares 106

b) Para suelos cohesivos 108 b.2.3) Mtodo de Straub 109 b.2.4) Mtodo de Laursen 109 b.3) Socavacin Local 113 b.3.1) Estimacin de la socavacin local en pilares 113 b.3.1.1) Mtodo de Laursen y Toch (1953,1956) . 114 b.3.1.2) Mtodo de Neill (1964) 118 b.3.1.3) Mtodo de Larras (1963) . 119 b.3.1.4) Mtodo de Arunachalam (1965, 1967) 122 b.3.1.5) Mtodo de Carsten (1966) 122 b.3.1.6) Mtodo de Maza-Snchez (1968) 123 b.3.1.7) Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977).. 128 b.3.1.8) Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 129 b.3.1.9) Mtodo de Froehlich (1991) . 133

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b.3.1.10) Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 134 b.3.2) Estimacin de la socavacin local en estribos ...... 138 b.3.2.1) Mtodo de Liu, Chang y Skinner . 142 b.3.2.2) Mtodo de Artamonov 144 b.3.2.3) Mtodo de Laursen 145 b.3.2.4) Mtodo de Froehlich .. 147 b.3.2.5) Mtodo de Melville 151 b.3.2.6) Mtodo HIRE .. 155 b.4) Resumen de Metodologas y Frmulas para el clculo de la Socavacin 156 4.1.1.5.5 Obras de Proteccin 161 a) Enrocados 161 1) Mtodo de Maynord 161 2) Mtodo del U. S. Department of Transportation 162 3) Mtodo del Factor de Seguridad 163 3.1) Enrocado para el talud . 163 3.2) Enrocado para pie de talud 166 3.3) Diseo del filtro 166 b) Gaviones 167 b.1) Proteccin de pilares 168 b.b.1) Mtodo de Maza Alvarez (1989) 169 b.b.2) Mtodo propuesto en HEC-18 (1993). 169 4.1.2 Drenaje longitudinal de la Carretera 170 a) Perodo de retorno 170 b) Riesgo de obstruccin 170 c) Velocidad mxima del agua . 171 4.1.2.1 Cunetas 171 a) Capacidad de las cunetas 173

b) Caudal Q de aporte 176 c) Dimensiones mnimas 176 d) Desage de las cunetas 178 e) Revestimiento de las cunetas .. 179 4.1.2.2 Cunetas o zanjas de coronacin ........................................ 179 4.1.2.3 Zanjas de drenaje 181 4.1.2.4 Cunetas de banqueta 182 4.1.2.5 Bordillos 182 4.1.2.6 Canales de drenaje 184 4.2 Drenaje Subterrneo 184

4.2.1 Subdrenaje 185 4.2.1.1 Requerimientos de Obras de Subdrenaje en proyectos viales 185 4.2.1.2 Subdrenaje convencional 186 4.2.1.3 Subdrenaje sinttico 187

a). Red de Malla Sinttica (similar Geodren) 187 b). Geotextil .. 188

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c) Tubo colector perforado 188 4.2.1.4 Criterios de diseo 188

a) Caudal de diseo 188 b) Determinacin del tipo de geotextil filtrante 189

c) Determinacin de las dimensiones de la seccin transversal 194 d) Tasa de Flujo .. 196

4.2.2 Cajas de registro y buzones 196 4.2.3 Drenes de penetracin . 197 4.2.4 Drenaje del pavimento 199 4.2.5 Proteccin del suelo de la explanacin contra el agua libre en terreno de elevado nivel fretico, llano y sin desage 200 4.2.6 Proteccin del suelo de explanacin situado bajo la calzada contra los movimiento capilares del agua 201 4.2.7 Capa drenante 202

CAPITULO V V. ANEXOS 203 - Laminas 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07 - Bibliografa 213 - Glosario 217

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INDICE DE FORMULAS

Frmula 1 Seleccin del Perodo de Retorno 13

Frmula 2 Distribucin Normal . 16

Frmula 3 Distribucin Log Normal 2 parmetros 16



Frmula 6 Distribucin Gamma 2 parmetros . 18

Frmula 7 Distribucin Gamma 3 parmetros . 18

Frmula 8 Distribucin Log Pearson tipo III . 19

Frmula 9 Distribucin Gumbel . 19

Frmula 10 Distribucin Gumbel . 20

Frmula 11 Distribucin Log Gumbel . 20

Frmula 12 Pruebas de bondad de ajuste .. 21

Frmula 13 Prueba Kolmogorov Smirnov 22

Frmula 14 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia . 24




Frmula 18 Tiempo de Concentracin . 28

Frmula 19 Mtodo SCS para abstracciones . 33





Frmula 24 Estimacin de Caudales - Mtodo IILA 37




Frmula 28 Estimacin de Caudales - Mtodo Racional 39

Frmula 29 Mtodo Racional Modificado . 40




8




Frmula 36 Hidrograma Unitario 42

Frmula 37 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS . 44

Frmula 38 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS 44

Frmula 39 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS 45

Frmula 40 Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder .. 46

Frmula 41 Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder .. 46

Frmula 42 Sistema de Modelamiento Hidrolgico (HMS-Hydrologic

Modeling System) 47

Frmula 43 Otras Metodologas . .. 52




Frmula 47 Diseo hidrulico .. 62

Frmula 48 Consideraciones para el diseo - Material slido de arrastre 66 Frmula 49 Consideraciones para el diseo Socavacin local a la Salida de la alcantarilla .. 68

Frmula 50 Diseo Hidrulico de Badn . 73

Frmula 51 Diseo Hidrulico de Badn . 74

Frmula 52 Muestreo y caracterizacin del material del lecho 79

Frmula 53 Coeficiente de rugosidad de cauces naturales

(n de Manning) . 82


(n de Manning) . 84


(n de Manning) . 85

Frmula 56 Clculo de niveles de agua de un puente 88

Frmula 57 Mtodo de velocidad crtica y agua clara ... 92

Frmula 58 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos granulares . 93

Frmula 59 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos granulares . 95

Frmula 60 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos cohesivos . 95

Frmula 61 Mtodo de Straub . 96

9

Frmula 62 Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil 96

Frmula 63 Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil 98

Frmula 64 Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara 99

Frmula 65 Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara 99

Frmula 66 Caso del flujo de agua paralelo al eje mayor del pilar 103

Frmula 67 Caso del flujo de agua con ngulo de ataque al eje de mayor

dimensin del pilar . 105

Frmula 68 Mtodo de Neill (1964) .. 106

Frmula 69 Mtodo de Larras (1963) 107

Frmula 70 Mtodo de Arunachalam (1965, 1967) . 110

Frmula 71 Mtodo de Carsten (1966) . 110

Frmula 72 Mtodo de Maza - Snchez (1968) 111




Frmula 76 Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977) . 116

Frmula 77 Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977) . 116

Frmula 78 Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 117

Frmula 79 Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 120

Frmula 80 Mtodo de Froehlich (1991) .. 121 Frmula 81 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 123

Frmula 82 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 125





Frmula 87 Mtodo de Liu, Chang y Skinner .. 131

Frmula 88 Mtodo de Artamonov . 132

Frmula 89 Mtodo de Artamonov . 133

Frmula 90 Socavacin en lecho mvil . 134

Frmula 91 Socavacin en agua clara . 135

Frmula 92 Socavacin en agua clara y lecho mvil 136



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Frmula 95 Socavacin en agua clara . 138

Frmula 96 Estribos Cortos . 139

Frmula 97 Estribos Largos .. 140

Frmula 98 Estribos Cortos (L< h) . 142

Frmula 99 Estribos Cortos (L< h) 142

Frmula 100 Estribos de longitud intermedia (h L 25h). 142

Frmula 101 Estribos Largos ( L > 25h).. 143

Frmula 102 Estribos Largos ( L > 25h).. 143

Frmula 103 Mtodo HIRE .. 143

Frmula 104 Enrocados Mtodo de Maynord .. 147

Frmula 105 Enrocados Mtodo del U.S. Department of Transportation . 148

Frmula 106 Enrocado para el Talud ... 150





Frmula 111 Enrocado para pie de Talud ... 152




Frmula 115 Proteccin de Pilares Mtodo de Maza Alvarez (1989).. 155

Frmula 116 Proteccin de Pilares Mtodo propuesto en HEC 18 (1993). 155

Frmula 117 Capacidad de Cunetas .. 160

Frmula 118 Cunetas Caudal de aporte .. 163

Frmula 119 Subdrenaje Caudal por Abatimiento del nivel fretico . 176

Frmula 120 Determinacin de las dimensiones de la Seccin Transversal . 181

Frmula 121 Determinacin de las dimensiones de la Seccin Transversal . 181

Frmula 122 Tasa de flujo. .. 183

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CAPTULO I INTRODUCCIN

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I. INTRODUCCIN

El Reglamento Nacional de Gestin de Infraestructura Vial aprobado

mediante Decreto Supremo N 034 2008 MTC dispone entre otros

la implementacin del Manual de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje, el

cual es un documento que resume lo ms sustancial de la materia,

que servir de gua y procedimiento para el diseo de las obras de

drenaje superficial y subterrnea de la infraestructura vial, adecuados

al lugar de ubicacin de cada proyecto.

La DGCF mediante Memorndum N 3599-2008-MTC/14 a la

Direccin de Estudios Especiales encarga la elaboracin del Manual

de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje el cual pasar por un proceso de

revisin y complementacin permanente a travs de su difusin va

Internet u otro medio que permita obtener los aportes necesarios por

parte de entidades, profesionales y/o empresas dedicadas a la

especialidad, a fin de optimizar su contenido.

Las definiciones de los trminos utilizados en el presente Manual se

describen en la parte final de este documento, asimismo los trminos

que no se incluyan en l, se encuentran contenidos en el Glosario

de trminos de uso frecuente en proyectos de infraestructura vial

aprobado por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones.

Las caractersticas geogrficas, hidrolgicas, geolgicas y

geotcnicas de nuestro pas dan lugar a la existencia de problemas

complejos en materia de drenaje superficial y subterrneo aplicado a

carreteras; debido al carcter muy aleatorio de las mltiples variables

(hidrolgico-hidrulico, geolgico-geotcnico) de anlisis que entran

en juego, aspectos hidrulicos que an no estn totalmente

investigados en nuestro pas; el planteamiento de las soluciones

respectivas, obviamente estarn afectados por niveles de

incertidumbres y riesgos inherentes a cada proyecto. Por lo tanto y

dado el carcter general y orientativo del presente Manual, para el

13

tratamiento de los problemas sealados se deber aplicar los

adecuados criterios profesionales.

Hidrologa es la ciencia geogrfica que se dedica al estudio de la distribucin, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente

en la atmsfera y en la corteza terrestre. Esto incluye las

precipitaciones, la escorrenta, la humedad del suelo, la

evapotranspiracin y el equilibrio de las masas glaciares.

Los estudios hidrolgicos son fundamentales para:

El diseo de obras hidrulicas, para efectuar estos estudios se

utilizan frecuentemente modelos matemticos que representan el

comportamiento de toda la cuenca en estudio.

El correcto conocimiento del comportamiento hidrolgico de un ro,

arroyo, o de un lago es fundamental para poder establecer las reas

vulnerables a los eventos hidrometeorolgicos extremos; as como

para prever un correcto diseo de obras de infraestructura vial.

Su aplicacin dentro del Manual esta dada en la determinacin de los

caudales de diseo para diferentes obras de drenaje.

Hidrulica es una rama de la fsica y la ingeniera que se encarga del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto

depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y

empuje de la misma.

Su aplicacin dentro del Manual esta dada en la determinacin de las

secciones hidrulicas de las obras de drenaje.

Todo esto y muchas aplicaciones ms hacen que el Especialista en

Hidrologa sea un personaje importante en todo equipo

14

multidisciplinario que enfrenta problemas de ingeniera civil en

general y problemas de carcter ambiental.

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CAPTULO II OBJETIVOS

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II. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVOS:

El Manual persigue alcanzar los siguientes objetivos:

2.1.1 OBJETIVO GENERAL Tener un documento tcnico que sirva de gua conceptual y

metodolgica para la determinacin de los parmetros hidrolgicos e

hidrulicos de diseo, de obras de infraestructura vial.

2.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

a. Ofrecer al proyectista de diseo en infraestructura vial (Ingeniero o

profesional a fin), de una herramienta prctica para el desarrollo de

estudios de hidrologa e hidrulica, con criterios ingenieriles,

metodologas y recomendaciones que ayuden a proyectar

adecuadamente los elementos de drenaje de una carretera.

b. Permitir al proyectista obtener consistentemente la estimacin de la

magnitud del caudal de diseo, disear obras de drenaje que

permitan controlar y eliminar el exceso de agua superficial y

subterrnea que discurren sobre la calzada y debajo de ella, a fin de

que no puedan comprometer la estabilidad de la estructura del

pavimento, de acuerdo a las exigencias hidrolgicas y

geomorfolgicas del rea de estudio, sin afectar el drenaje natural de

la zona, ni a la propiedad adyacente.

c. Uniformizar criterios de diseo de las obras de drenaje vial.

2.2 ANTECEDENTES:

El Manual presenta recomendaciones de diseo generales para la

elaboracin de estudios de hidrologa, hidrulica y drenaje, cuyas

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metodologas previamente a su aplicacin deben ser validadas a las

condiciones particulares de cada proyecto vial.

El presente Manual de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje; prima y

complementa, los criterios de diseo establecidos en los captulos de

Hidrologa y Drenaje del Manual de Caminos Pavimentados y no

Pavimentados de Bajo Volumen de Transito, Manual de Diseo

Geomtrico-2001 y el Manual de Puentes.

18

CAPTULO III HIDROLOGA

19

III. HIDROLOGA

3.1 Alcances Este captulo trata temas relacionados a las metodologas que

permiten estimar los caudales de diseo de las obras que constituyen

el sistema de drenaje proyectado de la carretera (drenaje superficial

y subterrneo).

Partiendo del anlisis de la informacin hidrolgica y meteorolgica

disponible en el rea de estudio, se presentan criterios de diseo y

lmites de aplicacin de los mtodos considerados, a fin de que el

especialista seleccione la alternativa ms apropiada para cada caso

en particular.

La informacin hidrolgica y meteorolgica a utilizar en el estudio

deber ser proporcionada por el Servicio Nacional de Meteorologa e

hidrologa (SENAMHI), entidad que es el ente rector de las

actividades hidrometeorolgicas en el pas. En lugares en que no se

cuenta con la informacin del SENAMHI, y de ser el caso se

recabar informacin de entidades encargadas de la administracin

de los recursos hdricos del lugar, previa verificacin de la calidad de

la informacin.

El registro y estudio de las mximas avenidas anuales permite

determinar, bajo cierto supuestos, la probabilidad de ocurrencia de

avenidas de una cierta magnitud.

Se debe tener en cuenta que, las avenidas son fenmenos

originados por el carcter aleatorio de las descargas de los ros. La

ocurrencia de crecidas de los ros se describe en trminos

probabilsticas. Es decir, que cada avenida va asociada una

probabilidad de ocurrencia.

20

Es importante sealar que los mtodos y procedimientos que se

describen en el presente captulo abarcan nicamente la

determinacin de caudales lquidos provenientes de precipitaciones

pluviales y no incluye la determinacin de caudales provenientes de

deshielos, inundaciones causadas por desborde de ros y colapso de

presas de irrigacin. Asimismo, no incluye la estimacin de caudales

slidos que puedan transportar los cursos naturales. Sin embargo,

si el funcionamiento o vida til de la obra de drenaje proyectada est

supeditada al comportamiento de estos factores, el Proyectista

deber tomarlos en cuenta al efectuar los diseos de las obras de

drenaje.

3.2 Factores Hidrolgicos y Geolgicos que inciden en el Diseo Hidrulico de las Obras de Drenaje El presente tem describe los factores que influyen en la obtencin de

diseos adecuados que garanticen el buen funcionamiento del

sistema de drenaje proyectado, acorde a las exigencias hidrolgicas

de la zona de estudio.

El primer factor a considerar se refiere al tamao de la cuenca como

factor hidrolgico, donde el caudal aportado estar en funcin a las

condiciones climticas, fisiogrficas, topogrficas, tipo de cobertura

vegetal, tipo de manejo de suelo y capacidad de almacenamiento.

Los factores geolgicos e hidrogeolgicos que influyen en el diseo

se refieren a la presencia de aguas subterrneas, naturaleza y

condiciones de las rocas permeables y de los suelos: su

homogeneidad, estratificacin, conductividad hidrulica,

compresibilidad, etc y tambin a la presencia de zonas proclives de

ser afectadas por fenmenos de geodinmica externa de origen

hdrico.

3.3 Estudios de Campo

21

Los estudios de campo deben efectuarse con el propsito de

identificar, obtener y evaluar la informacin referida: al estado actual

de las obras de drenaje existentes, condiciones topogrficas e

hidrolgicas del rea de su emplazamiento. Asimismo el estudio de

reconocimiento de campo permite identificar y evaluar los sectores

crticos actuales y potenciales, de origen hdrico como

deslizamientos, derrumbes, erosiones, huaycos, reas inundables,

asentamientos, etc. que inciden negativamente en la conservacin y

permanencia de la estructura vial (carreteras y/o puentes).

Se debe evaluar las condiciones de las estaciones pluviomtricas e

hidromtricas, as como la consistencia de los datos registrados.

Por otro lado, el estudio de reconocimiento de campo permite

localizar y hacer el estudio correspondiente de todas las cuencas y/o

microcuencas hidrogrficas, cuyos cursos naturales de drenaje

principal interceptan el eje vial en estudio.

Para la elaboracin de un estudio o informe de Hidrologa, la

actividad de estudio de campo a lo largo del proyecto vial, es de

carcter obligatorio, por parte del o los especialista (s) a cargo de los

estudios hidrolgicos e hidrulicos.

3.4 Evaluacin de la Informacin Hidrolgica

Dado que el pas tiene limitaciones en la disponibilidad de datos ya

sea hidromtricos como pluviomtricos y la mayor parte de las

cuencas hidrogrficas no se encuentran instrumentadas,

generalmente se utilizan mtodos indirectos para la estimacin del

caudal de diseo.

De acuerdo a la informacin disponible se elegir el mtodo ms

adecuado para obtener estimaciones de la magnitud del caudal, el

cual ser verificado con las observaciones directas realizadas en el

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punto de inters, tales como medidas de marcas de agua de crecidas

importantes y anlisis del comportamiento de obras existentes.

La representatividad, calidad, extensin y consistencia de los datos

es primordial para el inicio del estudio hidrolgico, por ello, se

recomienda contar con un mnimo de 25 aos de registro que permita

a partir de esta informacin histrica la prediccin de eventos futuros

con el objetivo que los resultados sean confiables, asimismo dicha

informacin deber incluir los aos en que se han registrado los

eventos del fenmeno El Nio, sin embargo dado que durante el

evento del fenmeno del nio la informacin no es medida ya que

normalmente se estiman valores extraordinarios, esta informacin

debe ser evaluada de tal manera que no se originen

sobredimensionamientos en las obras.

Indiscutiblemente, la informacin hidrolgica y/o hidrometeorolgica

bsica para la realizacin del estudio correspondiente, deber ser

representativa del rea en dnde se emplaza el proyecto vial.

3.5 rea del Proyecto - Estudio de la(s) Cuenca(s) Hidrogrfica(s)

El estudio de cuencas est orientado a determinar sus caractersticas

hdricas y geomorfolgicas respecto a su aporte y el comportamiento

hidrolgico. El mayor conocimiento de la dinmica de las cuencas

permitir tomar mejores decisiones respecto al establecimiento de las

obras viales.

Es importante determinar las caractersticas fsicas de las cuencas

como son: el rea, forma de la cuenca, sistemas de drenaje,

caractersticas del relieve, suelos, etc. Estas caractersticas

dependen de la morfologa (forma, relieve, red de drenaje, etc.), los

tipos de suelos, la cobertura vegetal, la geologa, las prcticas

agrcolas, etc. Estos elementos fsicos proporcionan la ms

conveniente posibilidad de conocer la variacin en el espacio de los

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elementos del rgimen hidrolgico. El estudio de cuencas

hidrogrficas deber efectuarse en planos que cuenta el IGN en

escala 1:100,000 y preferentemente a una escala de 1/25,000, con

tal de obtener resultados esperados. 3.6 Seleccin del Perodo de Retorno

El tiempo promedio, en aos, en que el valor del caudal pico de una

creciente determinada es igualado o superado una vez cada T

aos, se le denomina Perodo de Retorno T. Si se supone que los

eventos anuales son independientes, es posible calcular la

probabilidad de falla para una vida til de n aos.

Para adoptar el perodo de retorno a utilizar en el diseo de una obra,

es necesario considerar la relacin existente entre la probabilidad de

excedencia de un evento, la vida til de la estructura y el riesgo de

falla admisible, dependiendo este ltimo, de factores econmicos,

sociales, tcnicos y otros.

El criterio de riesgo es la fijacin, a priori, del riesgo que se desea

asumir por el caso de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo

de vida til, lo cual implica que no ocurra un evento de magnitud

superior a la utilizada en el diseo durante el primer ao, durante el

segundo, y as sucesivamente para cada uno de los aos de vida de

la obra.

El riesgo de falla admisible en funcin del perodo de retorno y vida

til de la obra est dado por:

R = 1- (1-1/T)n (1)

Si la obra tiene una vida til de n aos, la frmula anterior permite

calcular el perodo de retorno T, fijando el riesgo de falla admisible R,

24

el cual es la probabilidad de ocurrencia del pico de la creciente

estudiada, durante la vida til de la obra. (Ver Figura N 01)

Figura N 01. Riesgo de por lo menos una excedencia del evento de diseo durante la vida til

(Fuente: Hidrologa Aplicada (Ven te Chow)).

En la Tabla N 01 se presenta el valor T para varios riesgos

permisibles R y para la vida til n de la obra.

TABLA N 01: Valores de Perodo de Retorno T (Aos)

RIESGO ADMISIBLE VIDA TIL DE LAS OBRAS (n aos)

R 1 2 3 5 10 20 25 50 100 200

0,01 100 199 299 498 995 1990 2488 4975 9950 19900

0,02 50 99 149 248 495 990 1238 2475 4950 9900

0,05 20 39 59 98 195 390 488 975 1950 3900

0,10 10 19 29 48 95 190 238 475 950 1899

0,20 5 10 14 23 45 90 113 225 449 897

0,25 4 7 11 18 35 70 87 174 348 695

0,50 2 3 5 8 15 29 37 73 154 289

0,75 1,3 2 2,7 4,1 7,7 15 18 37 73 144

25

RIESGO ADMISIBLE VIDA TIL DE LAS OBRAS (n aos)

R 1 2 3 5 10 20 25 50 100 200

0,99 1 1,11 1,27 1,66 2,7 5 5,9 11 22 44

Fuente: MONSALVE, 1999.

De acuerdo a los valores presentados en la Tabla N 01 se recomienda utilizar como mximo, los siguientes valores de riesgo admisible de obras de drenaje:

TABLA N 02: VALORES MAXIMOS RECOMENDADOS

DE RIESGO ADMISIBLE DE OBRAS DE DRENAJE

TIPO DE OBRA RIESGO ADMISIBLE (**) ( %)

Puentes (*) 25

Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes 30

Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas 35

Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal) 40

Subdrenes 40

Defensas Ribereas 25

(*) - Para obtencin de la luz y nivel de aguas mximas extraordinarias.

- Se recomienda un perodo de retorno T de 500 aos para el clculo de socavacin.

(**) - Vida til considerado (n)

Puentes y Defensas Ribereas n= 40 aos. Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 aos. Alcantarillas de quebradas menores n= 15 aos. Drenaje de plataforma y Sub-drenes n= 15 aos.

- Se tendr en cuenta, la importancia y la vida til de la obra a disearse. - El Propietario de una Obra es el que define el riesgo admisible de falla y la vida til de las obras.

3.7 ANALISIS ESTADISTICO DE DATOS HIDROLOGICOS

3.7.1 Modelos de distribucin

El anlisis de frecuencias tiene la finalidad de estimar

precipitaciones, intensidades o caudales mximos, segn sea el

caso, para diferentes perodos de retorno, mediante la aplicacin de

modelos probabilsticos, los cuales pueden ser discretos o continuos.

En la estadstica existen diversas funciones de distribucin de

probabilidad tericas; recomendndose utilizar las siguientes

funciones:

26

i. Distribucin Normal

ii. Distribucin Log Normal 2 parmetros

iii. Distribucin Log Normal 3 parmetros

iv. Distribucin Gamma 2 parmetros

v. Distribucin Gamma 3 parmetros

vi. Distribucin Log Pearson tipo III

vii. Distribucin Gumbel

viii. Distribucin Log Gumbel

3.7.1.1 Distribucin Normal

La funcin de densidad de probabilidad normal se define como:

( )( )

2

21

21

= Sx

eS

xf

(2)

Donde

( ) =xf funcin densidad normal de la variable x X = variable independiente = parmetro de localizacin, igual a la media aritmtica de x.

S = parmetro de escala, igual

Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje (10 - Agosto 2011) - Jrp

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