Tesis Bocatoma Convencional
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS
ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA DE FLUIDOS
Diseo hidrulico de la Bocatoma Huachipa
MONOGRAFA
Para optar el Ttulo de Ingeniero Mecnico de Fluidos por la Modalidad de
Suficiencia Profesional (M3)
AUTOR
Bch. Alexander Klaus, Huamn Len
LIMA PER 2010
-
A MIS PADRES:
FERMIN HUAMN Y AMANDA LEN EN GRATITUD
AL SACRIFICIO Y AMOR CON
QUE ME HAN EDUCADO.
A MI ESPOSA:
VERONICA SALDARRIAGA POR SU AMOR
Y PACIENCIA.
A MIS HERMANOS:
ROBERT Y MARIELA POR SU APOYO.
A DORA SANCHEZ:
POR SUS ATENCIONES DIA A DIA.
A MIS TIOS:
MAXIMO HUAMAN Y
MARIA TORRES POR
SU CARIO Y APOYO.
-
AGRADECIMIENTO:
AL ING. JOS JUAREZ, ASESOR,
POR TODO EL APOYO EN LA
PRESENTE MONOGRAFIA.
AL ING. CARLOS VASCONCELLOS,
ENRIQUE MARQUINA Y
JUAN CHANDUVI
POR SUS CONSEJOS Y ENSEANZAS.
-
ANTECEDENTES
La elaboracin de la Ingeniera bsica ha sido elaborado por la empresa SISA
(servicios de Ingeniera S.A.) por encargo del Consorcio Huachipa, Camargo
Correa (Brasil) OTV (Francia).
Estudios que han sido realizados y sirvieron de base para el presente proyecto.
Estudio de Factibilidad de la Bocatoma y la Planta de tratamiento
Fue elaborado por el Consorcio Consultor EWI-ATA en junio de
1997. Dentro del Estudio de Factibilidad: Optimizacin de la cuenca del
Ro Rmac, entre Moyopampa y la Atarjea y el Impacto Ambiental de su
desarrollo.
Estudio de Factibilidad Ramal Norte
Elaborado por el Consorcio Consultor Greeley Hansen Latin
Consult en 1998, ha servido de base para la elaboracin del estudio de
factibilidad del Ramal Norte para las proyecciones de Poblacin y
demanda.
El Banco Mundial brindo financiamiento a la empresa SEDAPAL y complemento
los prstamos de largo plazo concedidos por la Agencia de Cooperacin
Internacional del Japn y la Corporacin Andina de Fomento, as como la
generacin de recursos propios.
Debido a la gran importancia de la obra y por solicitud de Sedapal se considero
necesario realizar un modelo para asegurar el buen funcionamiento hidrulico de
la estructura. Se contrato al Laboratorio Nacional de Hidrulica el cual construyo
un modelo a escala 1/40 con el diseo original de 3 compuertas en el aliviadero
mvil, se verificaron los niveles de agua en el ro para los distintos caudales, se
estudiaron los elementos de proteccin aguas arriba y abajo.
-
RESUMEN
La bocatoma Huachipa, constituye la obra de cabecera del Proyecto y est
dimensionada para derivar un caudal de 12 m3/s del ro Rmac y permitir el paso
de la avenida milenaria por la estructura sin ocasionar daos en la misma.
La arquitectura hidrulica de la bocatoma Huachipa presenta una disposicin
general constituida por los siguientes componentes:
1. Bocal de captacin, dimensionada para permitir la derivacin de un
caudal de hasta 12 m3/s.
2. Barraje mixto constituido por una parte mvil y barraje fijo, cuyas
funciones son las siguientes: (a) mantener el ro un nivel de agua que
permita la derivacin del caudal de diseo hacia la captacin, (b)
manejar los sedimentos para mantener libre la captacin y evitar
obstrucciones, y finalmente, (c) posibilitar el paso de la avenida
milenaria del ro Rmac, sin ocasionar daos a la estructura.
3. Presa no vertedora, para compatibilizar las condiciones de los cauces
de aguas arriba y aguas abajo
4. Dique de encauzamiento margen derecha, destinado a evitar que el
remanso producido por el embase, inunde los terrenos ubicados en el
lado derecho del ro Rmac aguas arriba de la estructura.
5. Campamento de operacin y mantenimiento.
Dentro de la primera etapa de construccin, se considera la ejecucin de
la bocal de captacin, de la porcin del barraje que corresponde a la parte
mvil (canal desripiador, canal de limpia y aliviadero de compuertas), y
del dique de encauzamiento de la margen derecha.
-
INDICE
RESUMEN
Pag.
I. INTRODUCCION............... 1
1.1 ubicacin y accesos..1
II. OBJETIVOS.3
III. FUNDAMENTO TEORICO
3.1 Geologa y Geotecnia..4
3.1.1 Estudios bsicos...4
3.1.1.1 Topografa.4
3.1.1.2 Estudio geologa de superficie...4
3.1.1.2.1 Rasgos geomorfolgicos..4
3.1.1.2.2 Condiciones hidrogeolgicas...5
3.1.1.2.3 Geodinmica externa...5
3.1.1.3 Geotecnia...6
3.1.1.3.1 Antecedentes6
3.1.1.3.2 Trabajos de Perforacin Diamantina y
Calicatas6
3.1.1.4 Anlisis de cimentacin.....9
3.1.1.5 Evaluacin Qumica del suelo...9
3.2 Hidrologa..11
3.2.1 Cuenca del ro Rmac.11
3.2.1.1 Descripcin General11
3.2.2 Caractersticas fsicas y climticas.14
3.2.2.1 Ecologa...14
3.2.2.2 Climatologa17
3.2.2.2.1 Pluviometra...18
3.2.2.2.2 Temperatura...19
3.2.2.2.3 Evaporacin...20
-
3.2.3 Caudales.20
3.2.3.1 Hidrometra..20
3.2.3.2 Rgimen del ro Rimac20
3.2.3.3 Caudales Mximo en periodo de avenidas..24
3.2.3.4 Caudales Mximos del estiaje.29
3.3 Hidrulica Fluvial..25
3.3.1 Morfologa fluvial..25
3.3.1.1 Caracterizacin morfolgica...25
3.3.2 Perfiles hidrulicos.27
3.3.2.1 Metodologa.27
3.3.3 Datos geomtricos..29
3.3.3.1 Secciones Transversales .29
3.3.3.2 Coeficiente de rugosidad.30
3.3.3.3 Coeficiente por contraccin y expansin del flujo..30
3.3.4 Datos del flujo31
3.3.5 Resultados..31
3.4 Transporte de Sedimentos..34
3.4.1 Generalidades.34
3.4.2 Informacin hidrolgica y sedimentolgica...35
3.4.2.1 Caudales.35
3.4.2.2 Sedimentos.36
3.4.3 Estimado del transporte de sedimentos en el sitio de la Bocatoma
Huachipa41
3.4.3.1 Evaluacin morfolgica del ro Rmac en el tramo de la
bocatoma Huachipa 41
3.4.3.2 Estabilidad del cauce en el tramo
evaluado del ro Rmac .44
3.4.3.3 Caractersticas de los materiales
de lecho del ro Rmac..46
-
3.4.3.4 Estimado del transporte de sedimentos de fondo del ro Rmac.47
3.4.3.4.1 Mtodo de Meyer-Peter y Mller ...47
3.4.3.4.2 Mtodo de Einstein .....47
3.4.3.4.3 Estimado del transporte en suspensin
y total de sedimentos del ro Rmac48
3.4.4 Socavacin general del tramo del cauce evaluado sin proyecto48
3.4.4.1 Metodologa aplicada ..48
3.4.4.2 Resultados de clculo ..51
3.4.4.3 Profundidad adoptada de la socavacin
general del cauce..51
3.4.5 Evaluacin de la capacidad de evacuacin de sedimentos de fondo
por el aliviadero de compuertas de la presa derivadora.54
3.4.5.1 Conceptualizacin y metodologa aplicada..54
3.4.5.2 Capacidad de evacuacin de los sedimentos de fondo por
el aliviadero de compuertas..57
3.4.6 Socavacin del cauce aguas abajo de la poza disipadora de la presa
derivadora..62
3.4.6.1 Metodologa aplicada ..62
3.4.6.1.1 Mtodo de Breusers ..63
3.4.6.1.2 Metodo de Diezt ...63
3.4.7 Conclusiones..63
3.5 Hidrulica de Captacin67
3.5.1 y 3.5.2 Altura de Vertederos.67
3.5.3 Velocidad promedio en Canal de Limpia...67
3.5.4 Dimetro de sedimento transportado por el Canal de Limpia....67
3.5.5 Dimetro de sedimento transportado por el Canal Desripiador.67
3.5.6 Dimensionamiento de Vertederos..67
3.5.7 Rejillas70
3.5.8 Transiciones...70
-
3.5.9 Sumergencia de tubera de conduccin
a Planta de Tratamiento.70
3.5.10 Orificios..71
3.5.11 Funcionamiento de Toma...71
3.5.12 Ubicacin y ngulo de eje de Captacin con respecto
al eje del Cauce principal del ro71
3.5.13 Determinacin del Nivel de operacin en el embalse
(NAMO).71
3.6 Aliviaderos.72
3.6.1 Perfil longitudinal Hidrulico del ro.72
3.6.2 Ubicacin del Eje del Aliviadero...72
3.6.3 Determinacin del ancho estable del cauce del ro72
3.6.4 Determinacin del Tamao y numero de compuertas
del ro.72
3.6.5 Nivel de agua mximo en el ro para la avenida de diseo73
3.6.6 Cota superior del puente de operacin y presa no vertedora.74
3.6.7 Poza de disipacin de aliviadero de compuertas74
3.6.8 Disipador de aliviadero fijo75
3.6.9 Proteccin de enrocado de entrada y salida de aliviaderos76
3.6.10 Dimensionamiento de Drenaje debajo de Poza..76
3.6.11 Dimetro de sedimento de fondo transportado por los canales de
aproximacin del aliviadero de compuertas de rio....77
3.7 Dimensionamiento de Drenaje Agrcola...78
IV. DISEO HIDRAULICO DE LA BOCATOMA HUACHIPA
4.1 Esquema General de Obras ..79
4.2 Captacin ..82
4.2.1 Captacin funcionando 05 rejillas y 01 compuerta de
captacin Perfil longitudinal Hidrulico del ro.82
4.2.2 Captacin funcionando 06 rejillas y 02 compuerta de
captacin Perfil longitudinal Hidrulico del ro.88
-
4.3 Aliviaderos.....90
4.3.1 Determinacin del ancho estable del cauce del rio91
4.3.2 Dimensionamiento aguas arriba de aliviaderos.92
4.3.2.1 Determinacin de la cota superior del puente de operacin
de los canales de Aproximacin del Aliviadero de
compuertas y de presa no vertedora.....92
4.3.2.2 Proteccin de enrocado aguas arriba de aliviaderos ..94
4.3.2.2.1 Aliviadero de compuertas.....94
4.3.2.2.2 Aliviadero Fijo..95
4.3.3 Dimensionamiento aguas abajo de aliviaderos96
4.3.3.1 Aliviadero de compuertas96
4.3.3.1.1 Poza de Disipacin96
4.3.3.1.2 Enrocado aguas abajo de poza de
disipacin..98
4.3.3.2 Aliviadero Fijo.99
4.3.3.2.1 Disipador de dados de impacto en talud99
4.3.3.2.2 Proteccin de enrocado aguas
abajo del aliviadero fijo.100
4.3.4 Sifonamiento y subpresiones aliviaderos...101
4.3.4.1 Aliviadero de compuertas..101
4.3.4.2 Aliviadero Fijo..103
4.3.5 Caudal mximo por aliviadero de compuertas sin desborde
por aliviadero fijo..103
4.4 Dimetros de sedimentos en suspensin transportados por el canal de
Limpia...104
4.5 Cantidad de Sedimentos que ingresa a la Captacin ..106
4.5.1 Por bifurcacin ...106
4.5.2 Altura de vertedero de captacin sobre el fondo del ro..107
4.5.3 Efecto de curva del ro.107
4.5.4 Cantidad total de sedimentos que ingresa a la toma....108
4.6 Dimetros de sedimentos de fondo transportados por el rio...108
-
4.7 Dimetros de sedimentos de fondo transportados por el canal de limpia y
desripiador..109
4.8 Dimetros de sedimentos de fondo transportados por los canales de
aproximacin del aliviadero de compuertas........111
4.9 Dimensionamiento Drenaje Agrcola.112
4.10 Dimensionamiento de Sistema de Drenaje debajo de Poza
de disipacin..115
4.11 Perfil de Piso de Aliviadero de Compuertas...118
4.12 Perfil Longitudinal de Dique Derecho aguas arriba de
Bocatoma....119
4.13 Calculo de la altura del muro izquierdo del Canal de Limpia para
entrega de caudal de la Bocatoma LA ATARJEA por el
aliviadero Fijo..119
4.14 Desage y Limpieza de Captacin ...120
4.14.1 Volumen de agua a nivel 417.25 y 415.60 msnm.121
4.14.2 Tiempo de desage de volumen V1 y V2.121
4.14.3 Flujo en alcantarilla aguas abajo de compuerta122
4.14.4 Alcance del chorro de salida de alcantarilla..123
4.14.5 Determinacin de caudal de tubera de limpieza de sedimentos
de canaleta: (tuberia de PVC: 0.45m)..125
4.15 Nivel de agua en ro para Q = 380m3/s 129
4.16 Condiciones de funcionamiento Hidrulico aguas debajo de
compuertas de captacin ...130
4.17 Nivel de Operacin en embalse para QCaptacin = 5.0m3/s.132
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.........................................135
VI. BIBLIOGRAFIA
VII. ANEXOS
-
1
I. INTRODUCCION
El agua potable es indispensable para la vida del hombre, pero escasea en la
medida que la poblacin aumenta y porque lamentablemente es desperdiciada.
LIMA no ha solucionado el problema del abastecimiento de agua para una parte
importante de su poblacin.
Por tal motivo SEDAPAL empresa encargada del abastecimiento de agua para la
capital ha contratado al Consorcio Huachipa la ejecucin de las obras del Proyecto
de Mejoramiento Sanitario de las reas Marginales de Lima Lotes 1, 2 y 3, el
cual contempla la construccin de la infraestructura requerida para el suministro
de agua potable de una poblacin estimada en 2 400, 000 habitantes asentada en
los distritos de San Antonio de Jicamarca (Chosica), Lurigancho, San Juan de
Lurigancho, Comas, Los Olivos y Puente Piedra y parte de los distritos de
Independencia, Carabayllo, San Martn de Porras, Ventanilla y el Callao.
El esquema del Proyecto incluye la construccin de una estructura de captacin
sobre el ro Rmac y su correspondiente estructura desarenador (Lote 1); una
planta de tratamiento emplazada en el terreno propiedad de SEDAPAL ubicado a
unos 750 m aguas abajo de la captacin y sobre la margen derecha del ro (Lote 2)
y finalmente, una lnea de conduccin llamada Ramal Norte y sus
correspondientes derivaciones y reservorios (Lote 3).
La avenida de diseo del ro es de 580 m3/s. para calcular la cota de muros aguas
arriba del aliviadero y 470 m3/s para el clculo de los disipadores de energa.
1.1 UBICACIN Y ACCESOS
La bocatoma Huachipa se ubica sobre el ro Rmac en la cota 415 msnm,
a unos 2.0 km aguas arriba del cruce del puente Huachipa con la Av.
Cajamarquilla. Polticamente, el rea donde se emplaza la captacin, se
encuentra ubicada en el distrito de Lurigancho, provincia y departamento
de Lima.
El acceso a la margen derecha del emplazamiento de la bocatoma, donde
se ubica la estructura de derivacin, se realiza desde la Av. Carapongo,
-
2
utilizando una trocha de condiciones carrozables que llega hasta el cauce
del ro. El acceso a la margen izquierda, se realiza desde la carretera
Central utilizando una calle que termina en un parque construido sobre el
depsito de escombros ubicado inmediatamente aguas abajo del eje de la
bocatoma.
El eje de la bocatoma se encuentra entre las coordenadas N 8 671, 741.76
E 295, 214.34 y N 8 671, 713.96 E 295 128.75.
LIMA
O C
E A
N O
P A
C I F I C
O
BOLIVIA
CHILE
BRASIL
COLOMBIAECUADOR
TACNA
MOQUEGUA
AREQUIPA
PUNO
ICA AYACUCHO
APURIMAC
CUSCO
MADRE DE DIOS
HUANCAVELICA
JUNIN
LORETO
PASCO
UCAYALI
HUANUCOANCASH
LA LIBERTAD
SAN MARTIN
AMAZONAS
CAJAMARCALAMBAYEQUE
PIURA
TUMBES
PERU
-
3
II. OBJETIVOS
- Disear la Bocatoma Huachipa sobre el rio Rmac.
- Derivar por la Bocatoma Huachipa un caudal de 12m3/s del rio Rmac.
- Permitir el paso de la avenida milenaria sin ocasionar daos a la estructura
de captacin.
-
4
III. FUNDAMENTO TEORICO
3.1 GEOLOGIA Y GEOTECNIA
3.1.1 Estudios bsicos
3.1.1.1 Topografa
El levantamiento topogrfico de la zona de estudio ha sido levantado a
nivel de detalle con curvas de nivel cada 1,00 m.
3.1.1.2 Estudio de Geologa de Superficie
En el sitio de emplazamiento de la bocatoma el ancho del lecho del ro es
de 210 m y est ocupado por los depsitos aluviales ms recientes (Q-al1 y
Q-fl); los depsitos aluviales ms antiguos (Q-al2 Q-al3) se encuentran
conformando las terrazas de la margen derecha y margen izquierda
respectivamente. Este conjunto cuaternario forma parte del gran depsito
aluvial que se extiende tanto al sur como al norte yaciendo sobre los
grandes macizos rocosos intrusivos del Batolito de la Costa.
3.1.1.2.1 Rasgos Geomorfolgicos
El lecho del ro en esta rea, tiene una pendiente hacia el oeste, con
una cota de 432 m.s.n.m., a 1,000 m aguas arriba del eje y de 397
m.s.n.m., a 1,000 m aguas abajo del mismo.
Se aprecian dos terrazas aluviales (Q-al3 y Q-al2) que indican los
pisos de los niveles ms antiguos del valle; en la margen izquierda
falta la terraza (Q-al2) debido a fuerte erosin y cambios del flujo
del ro como consecuencia de los diferentes movimientos
epirogenticos producidos durante la etapa can y de sucesivos
perodos de rejuvenecimiento.
Debido a las sucesivas fases de levantamiento y erosin, durante un
lapso relativamente corto de tiempo geolgico, se desarrollaron
varias terrazas que reflejan las pulsaciones asociadas a la etapa de
-
5
erosin can que representa el ltimo episodio de erosin y que
contina en el presente, aunque con menor intensidad.
3.1.1.2.2 Condiciones Hidrogeolgicas
En el sector donde se emplazaran las obras de la bocatoma existen
depsitos de origen aluvial, los que aparte de muy ligeras
variaciones en cuanto al grado de compactacin corresponden a un
marco casi homogneo y tpico con respecto a sus propiedades
hidrogeolgicas, se ha verificado mediante perforaciones
diamantinas con recuperacin de muestras y ensayos de
permeabilidad tipo Lefranc, los valores de permeabilidad estn
entre 1.33 x 10 -2 y 5.69 x 10 -1 cm/seg, lo que corresponde a
valores esperados para un aluvial tpico del ro Rmac en el sector
del emplazamiento de la Bocatoma Huachipa, todo ello hasta
profundidades de 17 m por debajo del cauce.
3.1.1.2.3 Geodinmica Externa
En la superficie actual del rea donde se emplazarn las obras de la
Bocatoma Huachipa no se han observado huellas de efectos
originados por eventos de geodinmica externa de gran magnitud
tales como inundaciones u otros tipos de eventos, sin embargo se
debe mencionar que las terrazas aluviales adyacentes y que
actualmente sirven como tierras de cultivo, normalmente estn
recubiertas por una capa superficial de suelos conformados
predominantemente por limos y arcillas, los que pueden tener como
origen a los procesos de inundacin ocurridos durante
extraordinarias crecidas del ro Rmac, para tale eventos no se
cuenta con registro histrico.
-
6
3.1.1.3 GEOTECNIA
3.1.1.3.1 Antecedentes
Se han llevado a cabo inspecciones mediante la ejecucin de
calicatas, perforaciones diamantinas, ensayos de Penetracin
dinmica, ensayos de permeabilidad y ensayos de carga.
3.1.1.3.2 Trabajos de Perforacin Diamantina y Calicatas
La exploracin de campo se realiz mediante la excavacin, a cielo
abierto, de 5 calicatas, para lo que se emple una excavadora CAT-
450, alcanzndose profundidades de hasta 4.20 m,
aproximadamente, adems se realizaron 3 perforaciones
diamantinas que alcanzaron profundidades de hasta 25 m.
a) Excavacin de calicatas
Se han ejecutado 05 excavaciones de calicata a cielo abierto con
equipo mecanizado, alcanzando profundidades de hasta 4.20 m.
Las calicatas fueron muestreadas y registradas segn la norma
ASTM D-2488.
Cuadro N 1: Resumen de Calicatas
Calicata Coordenadas UTM Cota Profundidad Profundidad
Nivel fretico
N muestras
extradas
N Norte Este msnm m m
CBH-01 8,671,764.61 295,218.85 416.00 4.10 2.85 (*) CBH-01A 8,671,768.00 295,216.00 416.00 4.20 2.90 2 CBH-02 8,671,793.65 295,202.17 416.00 3.20 2.50 4 CBH-03 8,671,600.40 295,284.86 416.00 3.00 1.20 2 CBH-04 8,671,561.08 295,305.11 419.50 3.00 N.A. 2
(*) No se muestreo esta calicata porque atraves desmonte de construcciones y desperdicios.
b) Perforacin Diamantina
Los sondeos fueron ejecutados siguiendo las normas establecidas en
la Norma ASTM D2113-99 Practice for Diamond Core Drilling for
Site Investigation, para perforaciones con sistema Wire Line y las
Normas de la D.C.D.M.A. Diamond Core Drill Manufacture
Association.
-
7
La profundidad promedio para cada sondaje fue de 25.00 m,
acumulando un total de 80.00 m perforados.
CUADRO N 2: PERFORACION DIAMANTINA
Taladro Coordenadas UTM Cota
Profundidad
alcanzada
Nivel
Fretico
Revestimiento
Ensayos
N Norte Este (msnm) m (m) HW CONO PECK
LEFRANC
SDBH-01 8,671,715.92 295,214.54 413.50
20.00 0.60 17.00 3 6
SDBH-02 8,671,665.91 295,251.98 414.50
20.00 0.50 17.00 0 5
SDBH-03 8,671,586.43 295,292.39 416.00
15.00 1.10 14.00 0 5
SDBH-04 8,671,756.57 295,194.26 416.00
25.00 3.60 22.00 0 6
c) Ensayos de Penetracin Estndar
Para definir las caractersticas de resistencia y compactacin de los
suelos se realizaron ensayos de penetracin estndar, por las
caractersticas granulomtricas con alto contenido de gravas grandes
y bolones de los suelos atravesados, se efectuaron ensayos de
penetracin con empleo de Cono Peck.
Ensayo de Penetracin con Cono Peck
El ensayo de auscultacin con cono dinmico consiste en la
introduccin en forma continua de una punta cnica tipo Peck. El
equipo que se emplea para introducir la punta cnica en el suelo es el
mismo que el empleado en el Ensayo de Penetracin Estndar (STP,
ASTM D 1586), en el que se reemplaza la cuchara estndar por un
cono de 6.35 cm (2.5") dimetro y 60 de ngulo en la punta. Este
cono se hinca en forma continua en el terreno.
-
8
El registro de esta auscultacin se efecta contando el nmero de
golpes para introducir la punta cnica cada 15 cm. El resultado se
presenta en forma grfica indicando el nmero de golpes por cada 30
cm de penetracin.
d) Ensayos de Permeabilidad Tipo Lefranc (a carga constante)
Este ensayo se realiz para medir el coeficiente de permeabilidad en
suelos permeables de tipo granular, con tramos de ensayo ubicados
por debajo del nivel fretico.
Cuadro N 3: Resumen de Ensayos de Permeabilidad
Fecha Sondeo Profundidad
(m)
Nivel de
agua (m)
Q (cm3/seg) K
( cm/seg)
Carga
03/12/08
SDBH-01
2.00 0.40 670.83 5.69 E-01 constante
04/12/08 5.00 0.40 425.00 1.76 E-01 constante
04/12/08 8.00 0.40 1936.67 2.46 E-01 constante
05/12/08 11.00 0.40
709.52 4.08 E-01 constante
06/12/08 14.00 0.40
1047.22 3.10 E-01 constante
06/12/08 17.00 0.40
441.67 1.53 E-01 constante
09/12/08
SDBH-02
2.00 0.50 73.83 1.50 E-02 constante
09/12/08 5.00 0.50 189.50 1.26 E-01 constante
10/12/08 8.00 0.50 434.88 1.49 E-01 constante
10/12/08 11.00 0.50 632.62 4.20 E-01 constante
11/12/08 14.00 0.50 403.81 2.75 E-01 constante
11/12/08 17.00 0.50 285.83 1.79 E-01 constante
13/12/08
SDBH-03
2.00 1.10 679.17 1.92 E-01 constante
14/12/08 5.00 1.10 673.69 2.01 E-01 constante
14/12/08 8.00 1.10 534.05 1.02 E-01 constante
14/12/08 11.00 1.10 472.36 9.91 E-02 constante
15/12/08 14.00 1.10 669.09 2.04 E-01 constante
26/11/08 SDBH-04 3.50 - 3.70 3.50 523.61 1.33 E-02 constante
-
9
Fecha Sondeo Profundidad
(m)
Nivel de
agua (m)
Q (cm3/seg) K
( cm/seg)
Carga
27/11/08
SDBH-04
5.00 3.50 946.67 7.53 E-02 constante
27/11/08 8.00 8.40 3.50 1240.00 2.94 E-02 constante
28/11/08 11.00 3.50 845.45 6.40 E-02 constante
29/11/08 14.00 3.50 179.67 1.46 E-02 constante
30/11/08 17.00 3.50 199.67 1.49 E-02 constante
3.1.1.5 ANALISIS DE CIMENTACION
Se ha identificado como nico tipo de material a los depsitos
cuaternarios (suelos fluvio aluviales). Los suelos indicados (Q-al/Q-fl)
se localizan en el rea del proyecto cubriendo totalmente el rea hasta
profundidad que no se ha determinado pero que segn informaciones
bibliogrficas puede alcanzar o superar 100 m, estos suelos consisten de
grava arenosa con muy poco fino que proviene de la alteracin y
desintegracin de las rocas del batolito costanero y que han sido
transportadas por las aguas del ro Rmac; stos suelos tienen color gris a
claro y los finos no tienen plasticidad.
La unidad geotcnica descrita del sitio de la bocatoma caracteriza al techo
o parte superior de la secuencia estratigrfica de materiales de suelos
inconsolidados y se correlaciona con los suelos fluvioaluviales del rea
del valle de Lima y segn la clasificacin SUCS corresponden a GP
GM.
3.1.1.6 EVALUACION QUIMICA DEL SUELO
El suelo tiene un efecto agresivo a la cimentacin, debido a la presencia
de sulfatos y cloruros principalmente, que actan sobre el concreto y el
acero de refuerzo, causndole efectos nocivos y hasta destructivos sobre
las estructuras. En el siguiente cuadro se presentan los lmites permisibles
recomendados por el Comit ACI 318-83 y los valores recopilados de la
-
10
literatura existente sobre las cantidades en partes por milln (p.p.m) de
sulfatos, cloruros y sales totales; as como el grado de alteracin y las
observaciones del ataque a las armaduras y al concreto.
Cuadro N 4: Lmites Permisibles
Presencia en el
suelo de:
p.p.m Grado de
agresividad
qumica
Consecuencia
Sulfatos
0 - 1000
1000 - 2000
2000 - 20000
> 20000
Leve
Moderado
Severo
Muy severo
Ocasiona un ataque qumico al
concreto de la cimentacin
Cloruros > 6000 Perjudicial Ocasiona problemas de corrosin de
armaduras o elementos metlicos
Sales solubles
totales
> 15000 Perjudicial Ocasiona Problemas de prdida de
resistencia mecnica por problema
de lixiviacin
En el rea investigada los niveles de sales solubles y cloruros se
encuentran por debajo de los lmites perjudiciales; sin embargo los
valores de sulfatos encontrados en muestras de las calicatas CBH-01 y
CBH-03, muestran valores de sulfatos que se encuentran en el rango de
1000 2000 ppm lo que significa un grado de alteracin moderado, lo
que significa que se producira un ataque qumico moderado al concreto
de la cimentacin.
Por lo antes expuesto, se considera que debe mejorarse la resistencia del
concreto a los sulfatos, para ello deber producirse un concreto
impermeable y denso, elaborado con cemento resistente a sulfatos;
emplendose un cemento Prtland Tipo II, o un cemento normal con el
agregado de una adicin mineral, de comportamiento equivalente
debidamente verificado. La relacin agua cemento no debe exceder de
0.50, y la resistencia a especificar no deber ser inferior a 30 MPa.
-
11
3.2 HIDROLOGIA
3.2.1 Cuenca del ro Rimac
3.2.1.1 Descripcin general
La cuenca del Rmac se halla comprendida entre los paralelos
7605' y 7711' de Longitud Oeste y 1128' y 1215' de Latitud Sur.
Polticamente, se ubica en el departamento de Lima, ocupando las
provincias de Lima y Huarochir. Limita por el Norte con la cuenca
del ro Chilln, por el Sur con las cuencas de los ros Mala y Lurn,
por el Este con la cuenca del Mantaro y por el Oeste con el Ocano
Pacfico. El ro Rmac tiene sus orgenes en los deshielos del
nevado Uco ubicado a 5,100 msnm, alimentndose con las
precipitaciones que caen en la parte alta de su cuenca colectora y con
los deshielos de los nevados que existen en la cuenca.
Hidrogrficamente, la cuenca se encuentra ubicada en la parte central
de la vertiente occidental de los Andes, cuyas aguas, provenientes en su
mayor parte de los aportes pluviomtricos desembocan en el Ocano
Pacfico; tiene un rea de drenaje de 3,312 km2. Tiene dos subcuencas
importantes: la de San Mateo con 1,276 km2 de superficie y la de
Santa Eulalia con 1,094 km2, respectivamente. La confluencia de
ambos ros se produce cerca de la localidad de Chosica.
El curso principal de la cuenca tiene un recorrido total de 145 km y
una pendiente promedio de 3.62 %. De la superficie total de 3,312
km2, la cuenca hmeda se circunscribe a 2,237 km2, es decir, el
61.2 % del rea total contribuye al escurrimiento superficial.
Los ros San Mateo y Santa Eulalia, cuentan hasta su confluencia, con
una pendiente de 4.94 % y 6.33 % respectivamente; en el curso
inferior, desde la confluencia de los ros Santa Eulalia y San Mateo, el
ro Rmac cuenta con una pendiente de 1.7 %.
-
12
A partir de la confluencia de dichos ros, el valle empieza a abrirse
y es en este tramo que el ro ha formado su cono de
deyeccin sobre el cual se encuentra una importante zona
agrcola y la propia ciudad de Lima. El ro Santa Eulalia recibe a
lo largo de su recorrido el aporte de numerosos ros y quebradas,
siendo la ms importantes: Pilligua, Yana y Potoga, por la margen
derecha y Sacsa, Pacococha y Cerpa por la margen derecha.
Las precipitaciones son casi nulas (10 mm/ao) en la parte
baja (Lima) y se incrementan con la altura; a 2,400 msnm, la
precipitacin total anual alcanza un valor de 260 mm, y a 4,350
msnm es del orden de los 800 mm. La zona hmeda de la
cuenca abarca el 61.2 % de la superficie, con aportes mayores a
200 m anuales. Las mayores precipitaciones se encuentran entre
diciembre a marzo, perodo en el cual se aporta el 70% de la
precipitacin anual.
-
13
Figura N 1 Cuenca del ro Rmac
-
14
3.2.2 Caractersticas fsicas y climticas
3.2.2.1 Ecologa
Desde el punto de vista potencial agropecuario, las formaciones
ecolgicas que se advierten en la cuenca del ro Rmac para los
distintos pisos ecolgicos son: Desierto sub.-tropical, con un potencial
medio ambiental muy bueno, el matorral desrtico sub.-tropical, con
potencial medio ambiental regular para la actividad agrcola; Estepa
espinosa Montano baja, con un potencial medio ambiental bueno para la
explotacin agropecuaria; Pramo muy hmedo sub-alpino, con
potencial medio ambiental de regular a bueno y finalmente, la Tundra
Pluvial Alpina, con potencial medio ambiental muy pobre.
Las praderas identificadas dentro del rea de puna, presentan
un estado de conservacin de regular a degradado.
Anualmente, sobre todo en el periodo de lluvias o sea enero-marzo, es
comn que se produzca deslizamientos de tierra y lodo,
comnmente llamados huaycos, principalmente para el rea de
la formacin Estepa Espinosa Montano Bajo, ocasionando
interrupcin de carreteras, ferrocarriles y telgrafos, dada la fuerte
pendiente, asociada a un irracional uso de las tierras, prcticas agrcolas
discordantes a la conservacin del suelo y tambin, a la falta de todo tipo
de vegetacin natural.
Existe una apreciable cantidad de reas forestales diseminadas entre los
pisos Estepa Espinosa Montano Bajo y Estepa Montano, principalmente
en eucaliptos que influyen en la fisonoma de la cuenca del ro Rmac.
-
15
En la cuenca del Ro Rmac, se ha determinado la existencia de tres
pisos ecolgicos, los que se ubican en la regin latitudinal tropical:
Basal, Premontano y Montano.
Las zonas de vida identificadas en este entorno, de acuerdo al
Mapa Ecolgico del Per, distribuidas en los pisos ecolgicos antes
mencionados, son las siguientes:
a) Desierto desecado Subtropical (ddS)
Se extiende desde el litoral del Ocano Pacfico hasta una altitud
de 600 msnm. En esta zona de vida, el clima es semiclido
desecado, que se caracteriza por tener una biotemperatura media
anual entre 18 C y 19.5 C y un promedio de precipitacin anual
entre 9.15 y 12.6 milmetros. La vegetacin casi no existe; sin
embargo, se puede observar algunos halfitos tal como el vidrio
(Sesuvium portulacastrum).
La mayor parte de esta zona de vida carece de actividad
agropecuaria, debido a la escases de precipitaciones; sin
embargo, en los lugares que disponen de riego permanente se
ha desarrollado una agricultura amplia y diversa.
b) Desierto superrido subtropical (dsS)
Se extiende a continuacin del desierto desecado subtropical (dd-
S), entre los 600 y 800 msnm. El clima de esta zona de
vida es semiclido superrido, que se caracteriza por tener
una biotemperatura media anual entre 18.5 C y 19.5 C y un
promedio de precipitacin pluvial anual variable entre 31 y 62
milmetros. Se observa algunos arbustos xerfilos, gramneas
estacionales y rboles pequeos del genero Acacia.
-
16
Bajo condiciones naturales, no se realizan actividades
agropecuarias. En los lugares que disponen infraestructura de
riego se desarrolla un amplio cuadro de cultivos tropicales y
subtropicales.
c) Desierto perrido Premontano Tropical (dpPT)
Se ubica en la franja siguiente del desierto superrido subtropical
(ds-S), entre 800 y los 1,200 msnm. El clima es semiclido
perrido que se caracteriza por tener una biotemperatura media
anual entre 19.5 C y 20.5 C y un promedio de precipitacin
pluvial anual variable entre 63 y 140 mm. Un buen
indicador la presencia del gigantn (Neoraimondia
macrostibas), cactus prismtico de porte gigante, que se ubica en
el nivel superior en su lmite con el matorral desrtico premontano
Tropical (md-PT). La composicin florstica es ms compleja que
los desiertos anteriores.
d) Matorral desrtico Premontano Tropical (md PT)
Se le puede observar en la franja contigua al desierto perrido
premontano Tropical (dp PT), entre los 1200 y 1800 msnm.
El clima es semiclido rido, que se caracteriza por tener una
biotemperatura media anual entre 20.5 C y 21.5 C y un
promedio de precipitacin pluvial anual variable entre 140 y
200 milmetros. Se observa un manto de vegetacin herbcea
compuesta por gramneas y la presencia del Neoraimondia
macrostibas, cactus gigante prismtico como indicador de esta
Zona de Vida.
-
17
El relieve de esta Zona de Vida es mayormente ondulado y
quebrado, con pequeas reas con pendientes suaves en el fondo
del valle de Santa Eulalia y del Rmac, donde se lleva a cabo una
agricultura de pequea escala en los terrenos con disponibilidad de
riego; en cambio, en las reas de laderas de cerros con
pendientes fuertes se pastorea ganado caprino.
e) Matorral desrtico Montano Bajo Tropical (mdMBT)
Est ubicada en la franja adyacente al matorral desrtico
premontano tropical (md PT), en la margen derecha del ro Santa
Eulalia, entre los 1,800 y 3,000 msnm. El clima es templado clido
rido, que se caracteriza por tener una biotemperatura media
anual entre 15C y 17C y un promedio de precipitacin pluvial
anual variable entre 175 y 200 milmetros. Es frecuente ver la
achupalla (Pitcarnia sp) y algunas especies del gnero Fourcroya.
Durante la poca de lluvia, se desarrolla un manto de hierbas de
corto periodo vegetativo constituido generalmente por gramneas
utilizadas para el pastoreo de ganado caprino. Tambin es u
indicador el huanarpo de los gneros Cnidoscolus y Jatropha.
Las pocas tierras aptas para la agricultura, son utilizadas mediante
pequeos canales de riego. El resto del rea son tierras eriazas
con vegetacin efmera estacional utilizada para el pastoreo de
ganado caprino especialmente.
3.2.2.2 Climatologa
En la cuenca del ro Rmac se encuentra cuatro (04) tipos de
clima, segn la clasificacin de Thornwhite:
-
18
1. En la cuenca baja, se tiene un clima rido, con deficiencia de
lluvias, semiclido y hmedo, con un rango de temperatura
media anual de 19 C a 16 C; sta, representa el 39% del
total del rea de la cuenca.
2. En la cuenca media baja, se tiene un clima semi seco, con
invierno, otoo y primavera secos, templados y hmedos,
con un rango de temperatura media anual de 16 C a 13 C;
sta, representa el 13% del total del rea de la cuenca.
3. En la cuenca media alta, se tiene un clima semiseco, con
invierno, otoo y primavera secos, semifrio y hmedo, con un
rango de temperatura media anual de 13 C a 8 C; sta,
representa el 15% del total del rea de la cuenca.
4. En la cuenca alta, se tiene un clima lluvioso, con un rango de
temperatura media anual de 8 C a 2 C; esta, representa el 33%
del total del rea de la cuenca.
3.2.2.2.1 Pluviometra
La precipitacin en la cuenca del ro Rmac es registrada en
diferentes estaciones meteorolgicas dispersas en toda su
extensin; algunas de las ms importantes, se reportan en el
Cuadro N 5.
La precipitacin en la cuenca tiene relacin creciente con la
altitud, variando de 0 mm como total anual en Lima y Callao,
aumentando a 49 mm/ao en Santa Eulalia (1,080 msnm.); en
Matucana, se registra 265 mm/ao y en Ticlio 675
mm/ao. Otra referencia se tiene en Casapalca (4,191 msnm),
donde la lluvia anual promedio llega a 667 mm.
-
19
La precipitacin est concentrada en cinco (05) meses del ao,
de diciembre a abril; en los meses restantes, los valores son
bajos o nulos. Durante los meses lluviosos es frecuente la
ocurrencia de los deslizamientos de taludes en la Carretera
Central y en las quebradas de la cuenca.
Para un ao seco, medio y hmedo la precipitacin promedio
total anual es 382 mm, 497 mm y 571 mm, respectivamente. Se
ha determinado que la precipitacin promedio de la cuenca,
evaluada a partir del mapa de isoyetas, es de orden de 100 mm,
se debe destacar el hecho significativo, que el 80% del
volumen pluviomtrico se produce a partir de la cota de los
3,000 metros.
Cuadro N 5
Estaciones pluviomtricas Cuenca del ro Rmac
Dpto Prov Longitud Latitud Altitud Operador
Milloc Lima Huarochir 11 34 76214 4,400 EDEGEL La Quisha Lima Huarochir 11 31 76 23 4,650 SENAMHI Mina Calqui Lima Huarochir 11 35 76 29 4,600 SENAMHI Pirhua Lima Huarochir 11 41 76 19 4,750 SENAMHI Carampoma Lima Huarochir 11 39 76 31 3,272 SENAMHI Marcapomacocha Lima Huarochir 11 25 76 20 4,400 SENAMHI Casapalca Lima Huarochir 11 39 76 14 4,143 CENTROMIN
Bellavista Lima Huarochir 11 42 76 17 3,800 CENTROMIN
3.2.2.2.2 Temperatura
Este parmetro tiene significativa variacin en la extensin de
la cuenca, as, en la vecindad del mar, la temperatura media
anual es de 19 C, variando a 18 C en aa (566 msnm) y a 15
C en Matucana y finalmente, 5 C en Milloc (4400 msnm). La
variacin estacional no es tan pronunciada como la variacin
diaria.
-
20
3.2.2.2.3 Evaporacin
La evaporacin asume un papel importante en el balance
hdrico de la cuenca. Se observa que tiene una variacin
creciente de acuerdo a la altitud; en Lima se tiene 516
mm/ao, aumentando a 921 mm en aa y en Matucana a 1,890
mm/ao. En los lmites superiores de la cuenca se registra 1,139
mm/ao.
3.2.3 Caudales
3.2.3.1 Hidrometra
Existen numerosas estaciones de aforo instaladas en la cuenca del
ro Rmac y operadas por diferentes instituciones como EDEGEL,
SEDAPAL,SENAMHI, CENTROMIN, entre otras.
La estacin ms representativa, es la denominada Chosica, cuya
seccin de control se ubica aguas abajo del desage de la central
hidroelctrica de Moyopampa y aguas arriba de la toma para la
hidroelctrica de Huampan. Esta estacin es actualmente operada por
el SENAMHI, quien registra los caudales diarios mnimos, promedio
y mximos desde 1968.
3.2.3.2 Rgimen del ro Rmac
El ro Rmac es de rgimen irregular; sus mayores descargas, guardan
correspondencia con el periodo de lluvias que ocurre en la cuenca
hmeda.
-
21
Las descargas registradas en la estacin de aforos de Chosica (1968-
2007), arrojan un caudal medio anual de 31.09 m3/s, equivalente a 980
millones de m3 de masa anual.
El caudal medio registrado en el periodo de avenidas (enero abril)
es de 50 m3/s, mientras que en el periodo de estiaje (mayo-diciembre)
es de 21 m3/s.
Figura N 2 Caudales medios mensuales Ro Rmac en Estacin Chosica
Los registros de estiaje entre los meses de junio y noviembre, incluyen
el aporte de las aguas de trasvase de la cuenca del ro Mantaro, al ro
Santa Eulalia (Proyecto Marca I), que desde 1969 entrega un caudal
promedio de 4.1 m3/s.
3.2.3.3 Caudales mximos en perodo de avenidas
Se utiliza en el dimensionamiento de las estructura de la bocatoma
Huachipa.
-
22
Se ha procesado la informacin correspondiente a los registros de
caudales mximos reportados por el SENAMHI en la estacin Chosica
en el perodo comprendido entre 1968 al 2007, cuya serie se presenta
en el Cuadro N 6 y en la Figura N 3.
Cuadro N 6
Serie histrica de caudales mximos del ro Rmac Estacin Chosica
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s) 1920 95 1936 105 1952 175 1976 162 1992 33
1921 99 1937 175 1953 202 1977 151 1993 114
1922 97 1938 205 1954 380 1978 144 1994 134
1923 90.5 1939 254.5 1955 155 1979 85 1995 60
1924 SD 1940 385.4 1956 100 1980 216 1996 109
1925 187.1 1941 315.8 1957 99.8 1981 SD 1997 76
1926 137.6 1942 44.2 1958 175 1982 SD 1998 121
1927 183.5 1943 40.1 1959 77.4 1983 SD 1999 126
1928 139.8 1944 94.5 1968 81 1984 SD 2000 107
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s)
Ao Qmax
(m3/s) 1929 320.1 1945 185 1969 158 1985 SD 2001 114
1930 97.6 1946 130 1970 139 1986 158 2002 81
1931 480 1947 130 1971 210 1987 168 2003 111
1932 225 1948 108 1972 115 1988 83 2004 77
1933 200 1949 98.5 1973 79 1989 58 2005 64
1934 250 1950 316 1974 144 1990 35 2006 80
1935 98.8 1951 164 1975 116 1991 67 2007 102
Una primera inspeccin visual del histograma de caudales
mximos presentado en la Figura N 3, muestra una clara variacin
del comportamiento del ro en los ltimos 40 aos, con respecto
los correspondientes a los 40 anteriores a 1968, que coincide con
la calidad de la informacin reportada por el SENAMHI.
-
23
Figura N 3 Histograma de caudales mximos del ro Rmac Estacin Chosica
El anlisis de frecuencias realizados con varios tipos de distribuciones
probabilsticos, da como resultado los caudales mostrados en el
Cuadro N 7.
Cuadro N 7
Anlisis de frecuencias del Qmx Ro Rimac
Perodo de
retorno
(aos)
Q max (m3/s) para diferentes distribuciones
Halphen
Tipo A
Gumbel
Gamma Pearson
Tipo 3
LogNormal
2P
1000 442 447 417 440 550
200 371 367 353 368 427
100 338 333 324 336 377
50 305 298 294 303 330
-
24
Los caudales mximos instantneos, se obtienen mediante la
aplicacin de la frmula de Fuller, que considera un factor de
amplificacin que depende del rea de la cuenca (1+2.66/S0.3).
Para la cuenca del Rmac, el factor que resulta de la
aplicacin de la frmula mencionada, es de 1.23.
Los caudales mximos y mximos instantneos
determinados para diferentes perodos de retorno se presentan
en el Cuadro N 8.
Cuadro N 8
Caudales de avenidas Ro Rmac en Estacin Chosica
Perodo de
Retorno (aos)
Qmax
(m3/s)
Qmaxinst
(m3/s)
1,000 470 578
200 382 470
100 344 423
50 307 378
3.2.3.4 Caudales mximos del estiaje
Los caudales mximos que se presentarn en el estiaje, son de
inters para el dimensionamiento de las obras de desvo que se
ejecutarn durante el perodo constructivo.
Para tal efecto, se ha realizado el anlisis de frecuencias de los caudales
mximos que se presentan durante el perodo de estiaje del ro
mediante la aplicacin de la metodologa indicada en el acpite
anterior y con el soporte del programa HYFRAN.
-
25
Los valores obtenidos considerando como perodo de estiaje los
meses de abril - diciembre, mayo - diciembre y mayo - noviembre, para
tiempos de retornos de 2, 3 y 5 aos, se muestran en el Cuadro N 5.
Cuadro N
9
Cuadales mximos en estiaje (m3/s)
Perodo de
Retorno (aos)
Abril-Diciembre Mayo-Diciembre Mayo-Noviembre
Qmax Qmaxinst Qmax Qmaxinst Qmax Qmaxinst
2 62 76 42 52 31 38
3 74 91 50 62 37 46
5 86 105 59 73 43 53
3.3 HIDRAULICA FLUVIAL
3.3.1 Morfologa fluvial
3.3.1.1 Caracterizacin morfolgica
La caracterizacin morfolgica del ro Rmac en el emplazamiento de la
bocatoma Huachipa, se realiza a partir del anlisis de las imgenes
satelitales obtenidas del Google Earth, as como de los levantamientos
topogrficos y visitas de inspeccin realizadas.
En la imagen satelital que se muestra en la Figura N 4, se puede apreciar
que el eje de la bocatoma propuesto en el estudio definitivo se ubica en
una contraccin del cauce que se ha producido como consecuencia del
arrojo de desmonte sobre el talud de la margen izquierda del ro. El ancho
del cauce en el cierre es de unos 150 m, unos 30 m ms que las secciones
sin contraer de aguas arriba y aguas abajo.
La imagen muestra tambin, la presencia de un cauce principal de unos 25-
30 m de ancho que se ubica en el centro del cauce existente y tiende a
dirigirse hacia la margen derecha en el lado de aguas abajo.
-
26
Figura N4 Imagen satelital de la ubicacin de la bocatoma
Los levantamientos topogrficos realizados recientemente, demuestran que
la imagen satelital disponible es bastante antigua ya que la seccin ha sido
donde se ubica en eje ha continuado estrechndose como producto de la
colocacin de material de desmonte en ambas mrgenes del ro.
La seccin actual ha reducido su ancho a 110 m y presenta un cauce
principal de 20 m de ancho que se ha recostado hacia la margen el lado
derecho del ro, configurndose una situacin hidrulicamente favorable
para la implantacin de la captacin por esa margen.
La margen derecha del ro limita con una terraza baja localizada a no ms
de 2 m de altura sobre el cauce principal, donde se han desarrollado
terrenos de cultivo; en la margen izquierda, el cauce limita con una terraza
alta situada a ms de 5 m por encima del mismo, donde se sita una losa
deportiva y un parque que se ubican en el lmite de una urbanizacin que
se extiende hasta la Carretera Central
Eje
-
27
La pendiente promedio del ro, evaluada desde 1 km aguas arriba del eje
hasta 1 km aguas abajo, es de 0.015, lo que le confiere un carcter
semitorrentoso y con moderada capacidad de arrastre de sedimentos de
fondo y gran capacidad de transporte de material flotante (ramas y bolsas)
y en suspensin.
3.3.2 Perfiles hidrulicos
3.3.2.1 Metodologa
Los perfiles hidrulicos del ro Rmac son evaluados mediante la
aplicacin del modelo numrico desarrollado por el Hydrologic
Engineering Center, US Army Corps of Engineers, denominado HEC-
RAS, el cual es aplicable a un flujo estacionario unidimensional,
gradualmente variado.
Las bases del procedimiento de clculo corresponden a la solucin de la
ecuacin de energa. Las prdidas de carga por energa entre secciones
transversales son evaluadas como prdidas por friccin y prdidas por
contraccin y expansin.
A continuacin se muestra la ecuacin general de clculo:
ehg
VZY
g
VZY +++=++
22
211
11
222
22
Donde:
21,YY = Tirantes en las secciones transversales (m).
21,ZZ = Altura del fondo relativo al plano de referencia (m s.n.m.).
21,VV = Velocidades medias para el total de las respectivas reas
hidrulicas (m/s).
-
28
21, = Coeficientes de distribucin de velocidades.
g = Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s).
eh = Prdida de carga (m).
La ecuacin general para la determinacin de las prdidas de carga es:
+=
g
Va
g
VaCLSh fe 22
211
222
Donde:
L = Longitud del tramo en clculo (m).
fS = Gradiente de energa representativa entre dos secciones.
C = Coeficiente de prdida por contraccin o expansin.
La obtencin de los resultados resulta de la aplicacin de la ecuacin
mediante un proceso iterativo, suponiendo flujo normal como condicin
inicial.
El caudal es calculado para cada seccin mediante la siguiente forma de
la ecuacin de Manning:
=
=p
i
fiTotal SKQ1
2/1
3/21ii
i
i RAn
K
=
Donde: TotalQ = Caudal total en una seccin (m3/s).
iK = Caudal en la subseccin i [i = 1.....p] (m3/s).
-
29
fS = Pendiente.
iA = Area en la subseccin i [i = 1.....p] (m2).
iR = Radio hidrulico en la subseccin i [i = 1.....p] (m).
in = Coeficiente de rugosidad de Maning en la subseccin
Para el clculo de caudales en una seccin transversal, compuesta de
diferentes reas parciales, se requiere que el caudal sea subdividido en
reas por las cuales las velocidades son uniformemente distribuidas como
se aprecia en la figura inferior.
Bajo esta condicin se subdivide el caudal a travs de la seccin
transversal del cauce del ro en reas, las cuales son definidas segn los
coeficientes de rugosidad.
3.3.3 Datos geomtricos
3.3.3.1 Secciones transversales
El archivo de datos geomtricos se conforma introduciendo en el modelo
las secciones transversales del ro Rmac levantadas en el mes de octubre
A1P1
A2P2
A3P3
n1
n2
n3
Margen Margen Cauce
-
30
del 2008, las cuales se desarrollan desde 1 km aguas arriba del eje de la
bocatoma hasta 1 km aguas abajo del mismo. El espaciamiento de las
secciones transversales levantadas es de 100 m
La ubicacin de las secciones transversales ha sido determinada teniendo
en cuenta las caractersticas longitudinales del ro en cada tramo, la
variabilidad del cauce transversalmente, presencia de obras de
interferencia, curso del ro en curvas, formacin de meandros, presencia de
ramificaciones, condiciones de perpendicularidad a la direccin del flujo.
3.3.3.2 Coeficiente de rugosidad
Para la determinacin de los coeficientes de rugosidad se ha tomado en
cuenta las inspecciones de campo efectuadas, as como la experiencia y las
descripciones de diferentes libros considerando las caractersticas de la
superficie rugosa imperante, tipo de suelo, condiciones de vegetacin,
irregularidades del cauce del ro, alineamiento del talwed del ro, zonas de
erosin y deposicin, obstrucciones tamao y forma del cauce, caudales en
pocas de avenidas y estiaje y niveles del pelo de agua observados y/o
registrados.
Un coeficiente de rugosidad de 0.040 se estima conveniente de adoptar
para el cauce principal.
3.3.3.3 Coeficientes por contraccin y expansin del flujo
Los coeficientes para determinar las prdidas por contraccin y expansin
de flujo entre secciones se determinan en base a los levantamientos
topogrficos y observaciones de campo, considerando el estrechamiento o
ensanchamiento del cauce.
Se ha estimado conveniente utilizar coeficientes de 0.5 y 0.8 para las
contracciones y expansiones del cauce, respectivamente.
-
31
3.3.4 Datos del flujo
Como datos de flujo se ha utilizado los caudales de avenidas de 470 y 580
m3/s, establecidos en el estudio hidrolgico.
Se ha elegido la opcin de flujo mixto; es decir, el propio programa ser el
que determine el rgimen de flujo. La seccin de control de aguas arriba y
aguas abajo se determina mediante la aplicacin de la frmula de
Manning, considerando una pendiente de 0.015.
3.3.5 Resultados
El perfil hidrulico interesa para la determinacin de la curva de remanso
generada por la implantacin de la estructura, as como para la evaluacin
del nivel aguas abajo de la bocatoma para el clculo de la sumergencia del
resalto hidrulico. Para el primer escenario, se ha corrido el programa
HEC-RAS para el caudal mximo instantneo correspondiente a la avenida
con perodo de retorno 1/1000 aos, estimado en 580 m3/s.
El perfil hidrulico se presenta en la Figura N 5:
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
405
410
415
420
425
430
435
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG PF 2
WS PF 2
Ground
Rimac Rimac
Figura N 5 Perfil hidrulico del ro Rmac Q= 580 m3/s
-
32
Los datos de relevancia para el diseo, se presentan en el Cuadro N10.
.
Cuadro N 10
Caractersticas hidrulicas en la seccin de bocatoma
Para el segundo escenario, se ha corrido el HEC RAS para un caudal de
470 m3/s, que corresponde al caudal mximo para una avenida con perodo
de retorno 1/1000 aos.
El perfil hidrulico se muestra en la Figura N 6 ; mientras que los datos
de la seccin ubicada inmediatamente aguas abajo de la estructura en el
Cuadro N 11 y la Figura N 7.
-
33
-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800
400
405
410
415
420
425
430
Main Channel Distance (m)
Ele
vatio
n (
m)
Legend
EG PF 3
WS PF 3
Ground
Rimac Rimac
Figura N 6 Perfil hidrulico del ro Rmac Q= 470 m3/s
Cuadro N 11
Caractersticas hidrulicas de la seccin aguas abajo de la bocatoma Q= 470 m3/s
-
34
-150 -100 -50 0 50 100412
414
416
418
420
422
424
426
Station (m)
Ele
va
tio
n (
m)
Legend
EG PF 3
WS PF 3
2.0 m/s
2.3 m/s
2.5 m/s
2.8 m/s
3.0 m/s
3.3 m/s
3.5 m/s
3.8 m/s
4.0 m/s
Ground
Ineff
Bank Sta
.04
Figura N 7 Seccin aguas abajo de la bocatoma Q= 470 m3/s
3.4 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
3.4.1 Generalidades
La bocatoma Huachipa y su presa derivadora se han diseado para resistir
las fuerzas hidrodinmicas y del acarreo de sedimentos correspondiente al
trnsito del caudal de avenidas con periodo de retorno de de 1000 aos, y
un caudal de captacin de la bocatoma de 10 m3/s (5 m3/s en una primera
etapa). Para asegurar un diseo flexible, seguro, y de buen
funcionamiento bajo distintas condiciones de operacin, es necesario
cuantificar el transporte de sedimentos que transita en el ro Rmac por el
sitio de emplazamiento del proyecto, la sedimentacin que produce aguas
arriba de la presa derivadora y la socavacin que se produce aguas abajo
de la misma.
-
35
3.4.2 Informacin hidrolgica y sedimentolgica
3.4.2.1 Caudales
Segn reporta el Informe de Hidrologa Bocatoma Huachipa Estudio
Hidrolgico (2008), el caudal medio anual registrado es de 31.09 m3/s
(980.45 MMC), el caudal medio registrado en el periodo de avenidas
(Enero-Abril) es de 50 m3/s (1576.8 MMC), y el caudal medio registrado
para el periodo (Mayo-Diciembre) es de 21 m3/s (662.25 MMC). Estos
valores fueron estimados a partir de los registros histricos de los caudales
diarios mnimo, promedio y mximo de la estacin de aforos Chosica
(aos 1968-2007), as como de los registros histricos de caudales
mximos promedios disponibles para el periodo 1921-1967.
Los caudales de estiajes entre los mes de Junio y Noviembre, considera el
caudal trasvasado (4.1 m3/s) de la cuenca Mantaro hacia la subcuenca de
Santa Eulalia (Proyecto Marca I), que se encuentra en operacin desde el
ao 1969. Los caudales mximos en periodo de avenidas, reportados en el
Informe de Hidrologa, se consignan en el siguiente Cuadro 12
Cuadro 12 Caudales de mximas avenidas con distintos periodos de retorno
Caudales (m3/s) Periodo de retorno (aos)
50 100 200 1000
Caudales mximos 307 382 444 470
Caudales mximos instantneos
378 423 470 578
Fuente: Bocatoma Huachipa Estudio Hidrolgico (2008) La cuantificacin del transporte de sedimentos, en el sitio de
emplazamiento de la bocatoma Huachipa y su presa derivadora, se realiz
aplicando el caudal mximo instantneo correspondiente al periodo de
retorno de 1000 aos. Para estimar la socavacin general del lecho del
tramo evaluado del ro Rmac, sin proyecto, se utiliz el caudal de avenida
de 578 m3/s, que corresponde al caudal mximo instantneo para el
-
36
periodo de retorno de 1000 aos, pero con su factor de correccin por las
caractersticas de las avenidas en el ro Rmac.
En la estimacin de la fosa de socavacin a la salida de la poza disipadora
(aguas abajo de la presa derivadora), se utiliz el caudal mximo diario
correspondiente al periodo de retorno de 1000 aos, de 470 m3/s. Este
valor del caudal, tambin fue aplicado para evaluar la capacidad de
evacuacin de los sedimentos de fondo por el aliviadero de compuertas de
la presa derivadora.
3.4.2.2 Sedimentos
En general, la revisin de la informacin concurrente y disponible
confirma que la informacin sobre sedimentos en la cuenca del ro Rmac
es escasa y limitada a los slidos disueltos y en suspensin. El predominio
del transporte del material del lecho, deslizamientos y huaycos en la
cuenca del ro Rmac, sugiere la necesidad de contar con informacin
sobre los sedimentos de arrastre de fondo, principalmente durante el
periodo de avenidas por la irregularidad del ro Rmac.
En base a los datos de los aforos de caudales y las mediciones de slidos
en suspensin, realizados por SEDAPAL durante el periodo de Enero 1994
a Junio 1997, se estimaron los promedios mensuales de slidos en
suspensin como producto de las concentraciones por los caudales medios
mensuales del mismo periodo. En los Cuadros 13, 14 y 15 se muestran los
valores estimados de la carga mensual de slidos en suspensin en la
Bocatoma de la Planta de Atarjea, en el Puente Huachipa y en el Puente
aa, precisando que la Bocatoma Huachipa se localiza a 2.18 km aguas
arriba del Puente Huachipa y aguas abajo del Puente aa. Ver Figura 9
del tem 3.4.3.
-
37
Cuadro 13 Bocatoma de la Planta Atarjea Carga de sedimentos en suspensin
(*) Datos de SEDAPAL
Cuadro 14 Puente Huachipa Carga de sedimentos en suspensin
(*) Datos de SEDAPAL
-
38
Cuadro 15 Puente aa Carga de sedimentos en suspensin
(*) Datos de SEDAPAL
-
39
La carga media anual de los sedimentos en suspensin transportados por el
ro Rmac a la altura de la Bocatoma La Atarjea es de 36,664 ton/ao, en el
Puente Huachipa es de 32,454 ton/ao, y en el Puente aa de 24,441
ton/ao. Si la distancia aproximada del ro Rmac entre los puentes
Huachipa y aa es aproximadamente 9.87 km, la carga media anual de
sedimentos en suspensin en el sitio de la Bocatoma Huachipa sera de
30,684 ton/ao. Con relacin a los slidos disueltos, la carga media anual
de slidos disueltos (carga de lavado) en la bocatoma Huachipa sera de
324,857 ton/ao, es decir en el rango de 328,761 ton/ao (Puente
Huachipa) y 311,087 ton/ao (Puente aa).
La carga total de sedimentos (slidos disueltos y sedimentos en
suspensin) media anual en la bocatoma Huachipa, sin considerar la carga
de arrastre de fondo, es de 355,541 ton/ao. La carga de sedimentos en
suspensin representa el 9.45% de la carga de slidos disueltos. Por lo
tanto, la presencia de los slidos disueltos en el flujo del ro Rmac tendra
un mayor efecto en la operacin de la bocatoma y la Planta de Tratamiento
de Agua Huachipa. En la Figura 2.1, se muestra del grfico de transporte
de sedimentos en suspensin para el mes de Febrero (medidos en distintos
puntos de muestreo en el ro Rmac durante el periodo Marzo 1996 Junio
1997) reportado por INADE (1998) en el Plan de Manejo y Estudios de
Factibilidad de la Cuenca del Ro Rmac. Este grfico ha sido adaptado a
nuestro estudio especfico, a fin de estimar el caudal de sedimentos en
suspensin (ton/mes) que pasa por la bocatoma Huachipa en el ro Rmac,
obtenindose el valor de 12,163 ton/mes (aproximadamente el 40% de la
carga media anual de sedimentos en suspensin).
-
40
Figura 8 Transporte de sedimentos en suspensin en ro Rmac Bocatoma
Huachipa, durante el mes Febrero (Periodo Marzo 1996 - Junio 1997)
El rgimen altamente irregular del ro Rmac, las caractersticas pulsantes
de las avenidas durante el periodo de lluvias, y el mecanismo
predominante del transporte de sedimentos (particularmente en el tramo de
la Bocatoma de Huachipa), sugieren que la formulacin de una relacin
entre los caudales lquidos y slidos resultara poco creble. Los trabajos
de campo realizados en el tramo evaluado del ro Rmac (inspeccin de
campo, excavacin de calicatas, muestreo visual-manual, y anlisis de
laboratorio de los materiales del lecho), permiti establecer las curvas
granulomtricas globales del material del lecho (Anexo B.2 Resultados
de laboratorio) y la curva granulomtrica representativa del material del
lecho para fines del presente estudio (Anexo B.1).
La carga anual de los slidos de arrastre de fondo y la carga total de
sedimentos correspondiente al periodo de retorno de 1000 aos, fueron
cuantificados en el tem 3.4.3, aplicando los mtodos y frmulas aplicables
a los ros con lechos de materiales gruesos y pendiente pronunciada, como
es el caso del ro Rmac.
-
41
3.4.3 Estimado del transporte de sedimentos en el sitio de la Bocatoma
Huachipa.
3.4.3.1 Evaluacin morfolgica del ro Rmac en el tramo de la
bocatoma Huachipa.
La cuenca del ro Rmac tiene una extensin de 3,312 km2, de la cual
2,237 km2 corresponde a la cuenca imbrfera o hmeda, es decir el 61.2%
del rea total de la cuenca que aporta los recursos hdricos superficiales de
la cuenca. La cuenca hmeda tiene aportes mayores a 200 mm anuales,
ocurriendo las mayores precipitaciones durante los meses de Diciembre a
Marzo, que representan el 70% de la precipitacin anual. La longitud total
del cauce principal del ro es de 145 km y una pendiente promedio de
3.62%. En el tramo evaluado del ro Rmac, donde se emplazar la
bocatoma de Huachipa, la pendiente promedio es de 1.8% y corresponde a
un ro de montaa.
En la conceptualizacin de la cuenca del ro Rmac como un sistema
productor de sedimentos, el tramo evaluado del ro Rmac se encuentra en
la zona de transferencia (tramo de transporte con sedimentos gruesos). La
morfologa y la cantidad de sedimentos que se transporta en la zona de
transferencia de sedimentos es resultado del proceso respuesta de la
interaccin del proceso geomorfolgico, del ciclo hidrolgico y de las
acciones antrpicas sobre la cuenca. De hecho, la morfologa del tramo
evaluado del ro Rmac es resultado de la produccin de sedimentos de su
cuenca colectora; el transporte, erosin y sedimentacin de los slidos en
los cauces y reas inundables de la red de drenaje de la cuenca del ro
Rmac. Asimismo, depende de las caractersticas hidrolgicas, geolgicas,
geomorfolgicas de la cuenca y su red de drenaje, de las caractersticas del
cauce y las propiedades de los sedimentos y los materiales del lecho. En
los aos hidrolgicos normales (sin presencia de los fenmenos El Nio y
La Nia), el trnsito de las avenidas por el tramo evaluado se produce
dentro del cauce actual. Sin embargo, en los aos hidrolgicos hmedos
ocurren avenidas con alta carga de slidos, y con espordicos desbordes en
-
42
sus mrgenes. En el escenario de un ao hidrolgico extremo (presencia
del fenmeno El Nio grande y Mega-Nio), se produciran lluvias de
altas intensidades en zonas con altitudes por debajo de la cuenca hmeda
del ro Rmac, activando el transporte de slidos en las quebradas y
torrenteras tributarias, generando avenidas de flujos hiperconcentrados y
huaycos que descargan en el cauce del ro Rmac (aguas arriba del tramo
evaluado). Este aporte de flujos hiperconcentrados combinado con la
pendiente pronunciada del ro en el tramo evaluado (promedio de 1.8%),
producira sobre el cauce (del tramo evaluado) una intensa erosin,
abrasin e impacto sobre el lecho y mrgenes del ro. En efecto, los
pobladores del lugar informaron que durante la ocurrencia de avenidas
grandes con la presencia del fenmeno El Nio, se producen ruidos
intensos como el golpeteo de martillo (colisin de piedras). Segn se
observa en la Figura 9, la construccin de la bocatoma de Huachipa (en la
margen derecha) y la presa derivadora (en todo el ancho del cauce),
transformar el perfil longitudinal y la seccin transversal del cauce actual
del tramo evaluado del ro Rmac.
-
43
Figura 9 Tramo del ro Rmac, donde se emplazar la bocatoma Huachipa (estribo derecho de la presa derivadora)
-
44
3.4.3.2 Estabilidad del cauce en el tramo evaluado del ro Rmac
En el tramo evaluado del ro Rmac, se estimaron los anchos mnimos de la
seccin transversal estable del cauce del ro Rmac correspondientes a los
caudales con distintos periodos de retorno. En el anlisis de la estabilidad
del cauce se aplicaron dos mtodos de Blench y Simons-Albertson basados
en la teora del rgimen, y el mtodo de Altunin. Los mtodos de la teora
del rgimen son empricos y estn basados en observaciones sobre el
comportamiento de canales de riego, que han estado en operacin durante
un largo periodo de tiempo, y por lo tanto se consideran estables, siendo
sus frmulas expresadas en forma explcita. El mtodo de Altunin es
semiemprico, y fue desarrollado al observar y trabajar en cauces con
material granular grueso como gravas y bolonera, por que se adeca ms
al tramo evaluado del ro Rmac. Contrariamente a los mtodos de la teora
del rgimen, el mtodo de Altunin no es explcito y requiere la solucin de
tres ecuaciones fundamentales. De hecho, el mtodo de Altunin es ms
complejo, dado que considera mayor nmero de parmetros (hidrulicos,
geomtricos, resistentes, etc.), as como el criterio geomorfolgico de
localizacin del tramo del ro dentro de su cuenca (zona montaosa, zona
de transferencia y zona de planicie).
Se han aplicado los mtodos de Blench, simons y Alberston, Altunin cuyos
resultados se muestran en el cuadro 13.
a) Discusin de resultados
Los resultados obtenidos por la aplicacin de los tres mtodos para estimar
el ancho mnimo estable del cauce, en el tramo evaluado del ro Rmac, se
presenta en el Cuadro 13. Los anchos mnimos estables fueron calculados
para caudales con distintos periodos de retorno. Los resultados obtenidos
por el mtodo de Blench son sobrestimados, debido a que conceptualmente
estn basados en la teora del rgimen (aplicables a materiales cohesivos y
arenosos) y a factores de fondo y orilla cuyos valores son definidos con
poca precisin, dificultando su aplicacin a casos especficos.
-
45
De hecho, este mtodo no considera expresamente la presencia de material
granular grueso en el lecho del ro, como es el caso del tramo evaluado del
ro Rmac. Como se muestra en la memoria de clculo (Anexo C), los
anchos mnimos resultantes no cumplieron con la verificacin de la
pendiente y variables de flujo. Sin embargo, la aplicacin del mtodo de
Simons y Albertson produjo resultados ms crebles, debido a que
considera la presencia de material granular grueso.
Cuadro 13 Ancho mnimo estable de la seccin transversal del ro Rmac
Mtodo Ancho mnimo (m) para distintos periodos de retorno
Q100=382 m3/s Q200=444 m3/s Q1000=470 m3/s
Blench 123 m 133 m 136 m
Simona y Albertson 66 m 71 m 73 m
Altunin 72 m 77 m 80 m
Los resultados obtenidos por el mtodo de Altunin son razonables, dado
que los aspectos conceptuales que sustentan el mtodo son cercanos al
caso especfico del tramo evaluado del ro Rmac. De hecho, el mtodo de
Altunin considera la ubicacin del tramo evaluado dentro de la cuenca, que
en nuestro caso es la zona de transferencia. Asimismo, se comprob la
congruencia de las variables de flujo. En el tramo evaluado del ro Rmac,
el ancho del cauce vara de 90 m a 150 m en promedio, lo que satisface el
ancho mnimo estable del cauce de 80 m.
-
46
3.4.3.3. Caractersticas de los materiales de lecho del ro Rmac
El lecho del tramo evaluado del ro Rmac se caracteriza por el predominio
de materiales gruesos con granulometra extendida que varan desde
arenas, gravas, piedras, cantos rodados y bolonera. En el tramo evaluado
del ro Rmac se excavaron dos calicatas con profundidades de 1.00 m y
0.60 m, las cuales interceptaron la superficie de la napa fretica en las
indicadas profundidades. El anlisis visual-manual del perfil del material
del lecho indica la presencia de un suelo gravoso con cantos rodados y
bolonera en una matriz de suelo arenoso (GW GP con arena). Las dos
muestras representativas del material del lecho del ro fueron remitidas a
un laboratorio de mecnica de suelos acreditado, para el anlisis
granulomtrico global y la determinacin del peso especfico del material
que pasa la malla N 4 (4.75 mm). En el Anexo A se adjunta los resultados
de laboratorio, y la construccin de la curva granulomtrica representativa
del lecho del ro a partir de las curvas granulomtricas globales.
Asimismo, se incluye los clculos para la determinacin del dimetro
medio Dm=21.9 mm, y los dimetros D10 , D30 , D50 , D60 , D70 , D80 y D90
.
La cuantificacin del transporte de sedimentos de fondo del ro Rmac, en
tramo donde se emplazar la bocatoma de Huachipa, se realiz mediante
la aplicacin del mtodo de Meyer-Peter y Mller, y el mtodo
probabilstico de Einstein, los cuales son los mtodos reconocidos en la
prctica ingenieril, y los ms utilizados en ros de pendiente pronunciada y
materiales del lecho gruesos.
-
47
3.4.3.4 Estimado del transporte de sedimentos de fondo del ro Rmac
La cuantificacin del transporte de sedimentos de fondo del ro Rmac, en
tramo donde se emplazar la bocatoma de Huachipa, se realizar mediante
la aplicacin del mtodo de Meyer-Peter y Mller, y el mtodo
probabilstico de Einstein, los cuales son mtodos reconocidos en la
prctica ingenieril, y los ms utilizados en ros de pendiente pronunciada y
materiales del lecho gruesos.
3.4.3.4.1 Mtodo de Meyer-Peter y Mller
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Para el caudal de 470 m3/s, correspondiente a 1000 aos de periodo
de retorno, la carga unitaria en peso del arrastre de fondo (gB) es de
46.06 kgf/(s*m), y la carga en peso de sedimentos de fondo en toda
seccin del ro (GB) es de 5526.88 kgf/s. En trmino de volumen, la
carga unitaria del arrastre de fondo (qB) es de 0.017 m3/(s*m), y la
carga en toda la seccin del ro (QB) es de 2.7 m3/s. En el Anexo C
se presenta las memorias de clculo. El resumen de los resultados
se presenta a continuacin.
Tr=1000 aos Q= 470 m3/s g B = 46.06 kgf/(s*m) GB = 5526.88 kgf/s
Tr=200 aos Q= 444 m3/s gB = 43.53 kgf/(s*m) GB = 5223.91 kgf/s
Tr=100 aos Q= 382 m3/s gB = 37.16 kgf/(s*m) GB = 4459.59 kgf/s
Tr=50 aos Q= 307 m3/s gB =29.26 kgf/(s*m) GB = 3511.03 kgf/s
Q200 Q= 200 m3/s gB = 18.23 kgf/(s*m) GB = 2187.98 kgf/s
3.4.3.4.2 Mtodo de Einstein
Se obtiene:
La carga unitaria en peso del arrastre de fondo (gB) es de 83.57
kgf/(s*m), y la carga en peso de sedimentos de fondo en toda
seccin del ro (GB) es de 11,877.5 kgf/s. En el Anexo C se
presenta las memorias de clculo.
-
48
3.4.3.4.3 Estimado del transporte en suspensin y total de
sedimentos del ro Rmac.
Para estimar la capacidad de transporte total de sedimentos en el
tramo evaluado del ro Rmac, se aplic el mtodo de Einstein, el
cual estima previamente la carga de sedimentos en suspensin. De
acuerdo a este mtodo, la carga unitaria de sedimentos de fondo en
peso, viene expresada por la siguiente frmula:
( ) 213352
1
* dggs
ss
=
La carga unitaria de sedimentos en suspensin (en peso), tiene la
siguiente expresin:
( )21 IIPEgg sss +=
La capacidad de carga en toda la seccin y unitaria de sedimentos
totales en peso, se determina mediante las siguientes relaciones:
sssst ggg +=
BgG stst =
La carga unitaria de sedimento total estimado con el mtodo de
Einstein es de 444 kgf/(s x m), y el caudal slido total en volumen
es de 16.75 m3/s. Por el mtodo de Engelund Hansen la carga
unitaria es de 68.25 kgf/(s x m), que en caudal slido en volumen
es 2.58 m3/s. En el Anexo C se presenta las memorias de clculo.
3.4.4 Socavacin general del tramo del cauce evaluado sin proyecto
3.4.4.1 Metodologa aplicada
La metodologa utilizada para estimar la socavacin general del tramo
evaluado del ro Rmac, dentro del cual se construir la presa derivadora y
la bocatoma Huachipa, fue la siguiente:
-
49
a) La socavacin general para las avenidas con distintos periodos de
retorno se calcularon aplicando el mtodo de Lischtvan-Levediev para
suelos granulares. Este mtodo se basa en determinar la condicin de
equilibrio entre la velocidad media del flujo y la velocidad media del flujo
que se requiere para erosionar un material de dimetro y densidad
conocidos. Los datos utilizados para aplicar el mtodo son: caudal mximo
de diseo (Qd), tirante del flujo (Yn) correspondiente al caudal de diseo en
las distintas secciones del cauce del tramo evaluado del ro Rmac, y el
dimetro medio (dm) de la curva granulomtrica representativa del material
del lecho. El dimetro medio se determin con la siguiente expresin
dm=0.01dipi , donde pi es el porcentaje en peso del dimetro medio di
(mm) de una fraccin en la curva granulomtrica. Los resultados de la
inspeccin de campo, toma de muestras, anlisis de laboratorio y anlisis
granulomtrico global de las muestras de los materiales del lecho del ro
Rmac, determinaron un valor de dm = 21.9 mm.
b) Dado que el tramo evaluado del ro Rmac es un cauce definido con
materiales del lecho no cohesivos, el tirante o la profundidad del flujo de
agua despus de haberse producido la socavacin general en el cauce, es:
x1
1
0.28m
5/3n
S)(d0.68
)(YH
+
=
siendo el coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la
avenida evaluada, x es un exponente variable que est en funcin del peso
especfico del material seco. En nuestro caso especfico, para los periodos
de retorno de 1000 aos, 200 aos, 100 aos y 50 aos, las probabilidades
de ocurrencia del caudal de diseo fueron de 0.1%, 0.5%, 1% y 2%,
respectivamente; determinndose por tablas los correspondientes valores
de =1.07, 1.02, 1.00 y 0.97, respectivamente. Tambin por tablas, se
determinaron los valores de x y 1/(1+x). El parmetro se determin por
la siguiente frmula:
-
50
5/3
me
d
HB
Q=
donde, Be es el ancho efectivo del ro, Hm es el tirante medio del cauce
(rea hidrulica efectiva entre el ancho Be), y es el coeficiente de
contraccin. Se calcularon las profundidades de socavacin general del
lecho en el tramo evaluado del ro Rmac (1.5 km) para los caudales de
avenida de 1000 aos, 200 aos, 100 aos y 50 aos de periodo de retorno.
c) Se graficaron las profundidades de socavacin general promedio y
sus correspondientes caudales para distintos periodos de retorno. Para
adoptar la profundidad de socavacin general del cauce para fines de
diseo de ingeniera, se tomo en consideracin las siguientes
consideraciones:
- En el ro Rmac, como la mayor parte de los ros de las cuencas de
la vertiente del Pacfico, predominan avenidas con picos de corta duracin.
Esto demanda realizar un reajuste al mtodo Lischtvan-Levediev, dado que
ste mtodo fue concebido para avenidas de mayor duracin. En
consecuencia, el caudal representativo que producir socavacin general
del cauce se estim en 60% del caudal pico de la avenida de 1000 aos de
periodo de retorno.
- La inspeccin de campo y los resultados de laboratorio, evidencian
la existencia de una granulometra extendida de los materiales del lecho,
con presencia de gravas, piedras y bolonera en buen porcentaje en peso
(ver curva granulomtrica global en Anexo B.2 y fotos del Anexo F). Estos
hechos evidencian que existir un efecto del acorazamiento del lecho
durante el proceso de la socavacin general del lecho del ro. Por
consiguiente, se adopta conservadoramente una reduccin al 80% de la
profundidad de socavacin general previamente calculada.
-
51
3.4.4.2 Resultados de clculo
En la Figura 10 se muestran el perfil longitudinal del lecho ro Rmac y los
perfiles de socavacin general para las avenidas con distintos periodos de
retorno. Es necesario sealar que el eje de la presa derivadora y la
bocatoma Huachipa se localizar en la Progresiva 0+520. En la Figura 11
se graficaron las profundidades de socavacin general promedio y sus
correspondientes caudales para distintos periodos de retorno. Como se
observa, las profundidades de socavacin general promedio del lecho del
cauce del tramo del ro Rmac evaluado, vara de 1.5 m a 2.02 m de
profundidad.
3.4.4.3 Profundidad adoptada de la socavacin general del cauce
La profundidad de la socavacin general del cauce adoptada para fines de
diseo de ingeniera, corresponder a la avenida mxima instantnea con
periodo de retorno de 1000 aos, pero con los reajustes del factor 0.6 al
caudal pico y de 0.8 por efecto del acorazamiento que se producir durante
el proceso de la socavacin general. Por lo tanto, la profundidad de
socavacin general correspondiente al caudal de diseo reajustado
(0.6Q1000 =0.6*578=346.8 m3/s) es de 1.72 m. Este valor de la profundidad
de socavacin general corregido por el efecto de acorazamiento del lecho
del ro (1.72*0.8= 1.37 m), se reduce a 1.40 m, aproximadamente.
-
52
Figura 10 Perfil longitudinal lecho ro Rmac y perfiles de socavacin general para distintos TR (Prog. 0+520 Eje Presa Deriv.)
400
405
410
415
420
425
430
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500
Nivel del lecho del ro
Socavacin general TR=1000 aos
Socavacin general TR=200 aos
Socavacin general TR=100 aos
Socavacin general TR=50 aos
Socavacin General Q=200 m3/s
ALT
ITU
D(M
SNM
)
PROGRESIVA (M)
EJE PRESA DERIVADORA
DE BOCATOMA HUACHIPA
-
53
0
0.5
1
1.5
2
2.5
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Pro
fun
did
ad
de
so
cav
aci
n
(m
)
Caudales de avenidas (m3/s)
Figura 11 Profundidades de socavacin general promedio vs caudales para distintos periodos de retorno
Para fines de diseo de la presa derivadora y la bocatoma Huachipa, se
recomienda adoptar el valor de 1.40 m para la socavacin general del
lecho del cauce del ro Rmac, por efecto de las avenidas de diseo. Como
se puede apreciar en la Figura 10, la profundidad de la socavacin general
en el sitio de emplazamiento de las indicadas obras, se encuentra en un
rango de profundidades menores que las profundidades de socavacin
estimadas en el tramo aguas arriba de las referidas obras. En el tramo
aguas abajo del eje de la presa derivadora, se presentan los mayores rangos
de profundidades de socavacin del cauce del ro Rmac.
-
54
3.4.5 Evaluacin de la capacidad de evacuacin de sedimentos de
fondo por el aliviadero de compuertas de la presa derivadora.
3.4.5.1 Conceptualizacin y metodologa aplicada
Durante la vida til de la operacin de la presa derivadora y la bocatoma
Huachipa se producir la transformacin del cauce natural actual, tanto en
el tramo de aguas arriba como el tramo de aguas abajo del eje de la presa
derivadora. En el tramo de aguas arriba del eje de la presa derivadora, se
producir una elevacin del perfil longitudinal y transversal del lecho del
ro por efecto de la obra de cierre y del transporte de los materiales del
lecho en el cauce del ro Rmac. Segn los diseos de ingeniera, la presa
derivadora tiene previsto un aliviadero de excedencias fijo de 80 m de
longitud y un aliviadero de compuertas (tres canales de descarga con sus
respectivas compuertas radiales y pozas disipadoras). El aliviadero de
compuertas tiene la funcin de evacuar los caudales de avenidas y los
sedimentos de fondo, a fin de preservar el perfil longitudinal del lecho y
parte de la seccin transversal del cauce del ro.
La metodologa aplicada para evaluar la capacidad de evacuacin de
sedimentos por el aliviadero de compuertas, consisti en lo siguiente:
a) Estimar las velocidades del flujo que produce la fraccin del caudal
total que se descargan por el aliviadero de compuertas (caudal total menos
el caudal descargado por el aliviadero fijo). De acuerdo al diseo
hidrulico de la presa derivadora, el caudal descargado por el aliviadero de
compuertas es el 60% del caudal mximo de avenida (1000 aos de
periodo de retorno), y el 54% del caudal mximo instantneo para el
mismo periodo de retorno. En la presente evaluacin, se adoptaron como
caudales descargados por el aliviadero de compuertas, los valores que se
muestran en el siguiente Cuadro 14.
b) Las velocidades del flujo en el cauce del ro, entrada y canal del
aliviadero de compuertas, fueron estimadas en forma conservadora con el
software HEC-RAS versin 3.1.3. De hecho, las limitaciones del HEC-
-
55
RAS para modelar los campos de velocidades de un flujo bidimensional,
como se producen durante las descargas de las avenidas por el aliviadero
fijo y el aliviadero de compuertas, ha conllevado a adoptar
simplificaciones conceptuales orientados a estimar conservadoramente las
velocidades del flujo que se producen en los puntos de inters, a fin de
verificar la capacidad de evacuacin de los sedimentos de fondo por el
aliviadero de compuertas. Los valores estimados de las velocidades del
flujo aplicando las simplificaciones conceptuales, son menores que los
valores que se obtendran considerando el flujo bidimensional. Es decir,
las velocidades del flujo bidimensional en los puntos de inters, tendran
mayor capacidad de arrastre.
c) Se calcularon las velocidades erosivas o de arrastre de los distintos
dimetros de partc
