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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA TECNOLOGIA Y AMBIENTE

Evaluación hidráulica de caja vehicular del cauce “El Borbollón” en Km 12 ½

Carretera norte en el distrito VI de Managua.

Trabajo investigativo para obtener el Título de Ingeniero Civil

Autor:

Br. Ruth Noemy Gómez Espinoza Br. William Martin Ferrey Sevilla

Tutor:

Dr. Néstor Lanza Mejía

Managua, Nicaragua Marzo 2014

i

DEDICATORIA Le agradezco primeramente a Dios quien me regalo el don de vivir , por

acompañarme y guiarme a lo largo de mi carrera ,por ser mi fortaleza en momentos

de debilidad ,enseñándome a encarar las adversidades sin perder la cordura ni

desfallecer en el intento, también por brindarme una vida llena de aprendizajes,

experiencias y alegrías.

A mis padres: José Ramón Gómez y Ninoska Espinoza por ser los seres

maravillosos que DIOS escogió para traerme al mundo y brindarme su

comprensión, apoyo y amor. Por los consejos sabios en el momento exacto ,como

el de seguir luchando por los sueños sin perder los valores y la fe el DIOS que todo

lo puede, por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el

transcurso de mi vida, siendo ellos el ejemplo de lucha para obtener logros a base

de perseverancia.

A mi novio Henry Rodríguez Gonzales, le dedico este trabajo porque soy feliz

sabiendo que formas parte importante de mi vida, por apoyarme en cada

circunstancias, por tu amor, tu paciencia, gracias por tus regaños bien merecidos

cuando me quiero dar por vencida, por regalarme palabras de alegría en momento

de cansancio, y sobre todo por enseñarme que al ver la vida con optimismo

podemos obtener grandes logros siempre poniendo nuestros sueños primeramente

a DIOS.

Gracias inmensamente a mi abuelita Juana María Lira, a mi abuelito Rodolfo Espinoza y mi tía Johanna Espinoza por estar siempre al pendiente de mi

bienestar y llevarme en sus oraciones consistentemente; a mis hermanos Jeysson

Gómez y Jennifer Elieth por alegrarme con sus locuras en momentos de tristeza.

Y finalmente a mi tío Jorge Espinoza por brindarme una mano amiga siempre que

lo necesito, por sus consejos y apoyo durante todos estos años.

Br. Ruth Noemy Gómez Espinoza

ii

DEDICATORIA Existen demasiadas personas especiales las cuales me gustaría dedicar este

trabajo por el ánimo, apoyo y compañía brindada en las diferentes etapas de mi

vida. Algunas están acá conmigo y otras están en mi recuerdo y si llegan a leer esto

quiero darles las gracias por brindarme aunque sea un segundo de su vida, en

especial:

A mis padres únicos en el mundo William Martin Ferrey Pernudi y María Lourdes Sevilla, porque creyeron en mí y porque me sacaron adelante, dándome ejemplos

dignos de superación y entrega, porque gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada

mí meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en todos los momentos de mi

carrera.

A mis tres hermanas Coralia Elena Ferrey Rocha, Martha Lidia Ferrey Rocha y María Eduarda Ferrey Sevilla porque siempre se preocupan por mí y me dan cada

dia ánimo para seguir luchando unas estando lejos y otra estando cerca.

A mi primer Sobrino que aunque venga en camino sé que algún dia vas a aprender

a leer y sabrás que se le quiere mucho.

A mis amigos porque todo el apoyo que siempre dieron y las fregadera que siempre

armaban para des estresarte un poco en los momentos difíciles.

A todos los profesores no solo de la carrera sino de toda la vida, les agradezco

eternamente por formar parte de lo que ahora soy, aunque no sea mucho pero me

siento alguien útil para la sociedad y no solo soy un vacío.

Br. William Martin Ferrey Sevilla

iii

RESUMEN EJECUTIVO El presente trabajo consiste en la evaluación hidráulica de la caja vehicular ubicada

en la Carretera Norte, efectuando estudios hidrológicos de la cuenca del cauce el

Borbollón, para determinar caudales tanto para periodos de retorno, según criterios

de diseño así como eventos extremos como el Huracán Mitch y Cesar. Cabe

mencionar que una vez determinadas esto, se evaluara la caja para determinar el

funcionamiento en sus condiciones actuales de tal forma que se proceda a una

valorización hidráulica a partir de una modelación del comportamiento actual de la

caja vehicular.

.

INDICE DE CONTENIDOS

CAPITULO I....................................................................................................... 151.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 18

1.2 ANTECEDENTES ................................................................................. 20

1.3 JUSTIFICACIÓN..................................................................................... 22

1.4 OBJETIVOS............................................................................................ 23

1.4.1 Objetivos Generales ............................................................................ 23

1.4.2 Objetivos específicos........................................................................... 23

CAPITULO II...................................................................................................... 242.1 Estudio Hidrológico de la cuenca............................................................ 25

2.1.1.1 Área de la cuenca. (A) ..................................................................... 26

2.1.1.2 Parámetros según su forma............................................................. 26

2.1.1.3 Parámetros según su drenaje .......................................................... 28

2.1.1.4 Parámetros según su relieve. .......................................................... 30

2.1.2.1 Uso de suelo.................................................................................... 32

2.1.2.2 Tipo de suelo ................................................................................... 34

2.1.2.3 Granulometría del suelo................................................................... 35

2.1.8.1 Levantamiento topográfico............................................................... 48

2.2 Estudio Hidráulico ................................................................................... 49

2.2.1.1 Principio de la continuidad ............................................................... 50

2.2.1.2 Ecuación de Manning ...................................................................... 50

2.2.2.1 Componentes de datos geométricos ............................................... 54

2.2.2.2 Sistema esquemático del cauce ...................................................... 55

2.2.2.3 Secciones transversales del cauce.................................................. 56

2.2.2.4 Secciones transversales con flujo inefectivo.................................... 56

2.2.2.5 Coeficientes de contracción y expansión......................................... 57

2.2.2.6 Componentes de datos hidráulicos para flujos permanentes .......... 59

CAPITULO III ..................................................................................................... 60

3.1 Macro localización. .................................................................................. 61

3.2 Micro Localización. .................................................................................. 62

3.3 Caracterización de área de estudio......................................................... 62

CAPITULO IV .................................................................................................... 66

4.1 Parámetros Morfométricos de la cuenca ................................................. 67

4.2 Estudio Hidrológico ................................................................................. 73

4.2 Modelación Hidráulica ............................................................................. 79

4.3.1 Modelación de la caja puente del cauce el Borbollón Mediante el Hec –

Ras 79

Ingreso de datos geométricos ........................................................................ 80

Datos para condiciones de flujo ..................................................................... 81

Evaluación de condiciones hidráulicas de caja vehicular ............................... 83

CAPITULO V ..................................................................................................... 88

5.1 CONCLUSIONES ................................................................................... 89

5.2 RECOMENDACIONES ........................................................................... 91

CAPITULO VI .................................................................................................... 92

5.1 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................... 93

CAPITULO VII ................................................................................................... 94

5.2 ANEXOS ................................................................................................. 95

INDICE DE FIGURAS FIGURA # 1: ORDENACIÓN DE UNA RED DE CANALES ................................................... 29 FIGURA # 2: CURVA HIPSOMÉTRICA .......................................................................... 31 FIGURA # 3: HIETOGRAMA DE DISEÑO UTILIZANDO MÉTODO DE BLOQUES ALTERNOS ..... 42 FIGURA # 4: MÉTODO DE MUSKINGUM ....................................................................... 46 FIGURA # 5: REPRESENTACIÓN DE LA ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD .......................... 50 FIGURA # 6: SISTEMA ESQUEMÁTICO DEL CAUCE CON UBICACIÓN DE LA OBRA DE CRUCE 55 FIGURA # 7: ESQUEMA DE ÁREAS INEFECTIVAS DEL FLUJO........................................... 57 FIGURA # 8: MACRO-LOCALIZACIÓN DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ............ 61 FIGURA # 9: RECORRIDO POR MUNICIPIOS DE MANAGUA Y OBRA DE CRUCE EN

CARRETERA NORTE DEL CAUCE EL BORBOLLÓN .................................................. 62 FIGURA # 10: PARTE ALTA DE LA SUBCUENCA III. (MUNICIPIO DE TICUANTEPE). ........... 62 FIGURA # 11: CUENCA MEDIA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ........................................... 63 FIGURA # 12: CAJA VEHICULAR CARRETERA NORTE .................................................. 65 FIGURA # 13: PERFIL DEL CAUCE DEL RIO “EL BORBOLLÓN” ........................................ 71 FIGURA # 14: CURVA HIPSOMÉTRICA DEL CAUCE " EL BORBOLLÓN" ............................. 72 FIGURA # 15: ESQUEMA DE CUENCA DEL CAUCE “EL BORBOLLÓN” EN HEC-HMS 3.4. .... 75 FIGURA # 14: DETALLE DE SECCIÓN TRANSVERSAL DE ESTACIÓN 0+500 .................. 80 FIGURA # 15: CONDICIONES DE CONTORNO ............................................................ 81 FIGURA # 16: DATOS DE CAUDALES DE DISEÑO PARA EVALUACIÓN DE CAJA VEHICULAR

....................................................................................................................... 82 FIGURA # 17: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO

TR= 25 AÑOS ................................................................................................... 83 FIGURA # 18: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO

TR= 25 AÑOS ................................................................................................... 83

FIGURA # 19: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO

TR= 50 AÑOS ................................................................................................... 84 FIGURA # 20: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO

TR= 50 AÑOS ................................................................................................... 84 FIGURA # 21: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO

TR=100 AÑOS .................................................................................................. 85 FIGURA # 22: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO

TR= 100 AÑOS ................................................................................................. 85 FIGURA # 23: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO

PARA HURACÁN CESAR. .................................................................................... 86 FIGURA # 24: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO

PARA HURACÁN CESAR. .................................................................................... 86 FIGURA # 25: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ARRIBA CON CONDICIONES DE FLUJO

PARA HURACÁN MITCH. ..................................................................................... 87 FIGURA # 26: SECCIÓN DE CAJA VEHICULAR AGUAS ABAJO CON CONDICIONES DE FLUJO

PARA HURACÁN MITCH. ..................................................................................... 87

INDICE DE TABLAS

TABLA 1: PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS PARA ANÁLISIS DE CUENCAS ....................... 25 TABLA 2:CLASES DE TAMAÑO DE CUENCAS (KM2) ...................................................... 26 TABLA 3:CLASIFICACIÓN DE VALORES DE ALARGAMIENTO .......................................... 27 TABLA 4: CLASIFICACIÓN DE VALORES DE COMPACIDAD ............................................. 27 TABLA 5:CLASIFICACIÓN DE VALORES DE FORMA ....................................................... 28 TABLA 6: CLASIFICACIÓN SEGÚN DENSIDAD DE DRENAJE ............................................ 29 TABLA 7:VALORES DE PENDIENTE DEL CAUCE PRINCIPAL (M/M) ................................... 30 TABLA 8:CLASES DE VALORES DE LONGITUDES DEL CAUCE PRINCIPAL ......................... 32 TABLA 9:TIPOS DE SUELOS EXISTENTES CON BASE AL USO DE LA TIERRA PARA EL

CÁLCULO DEL NÚMERO DE LA CURVA SCS .......................................................... 38 TABLA 10:NÚMEROS DE CURVA DE ESCORRENTÍA PARA USO SELECTOS DE TIERRA

AGRÍCOLA, SUBURBANA Y URBANA (CONDICIONES ANTECEDENTES DE HUMEDAD II, IA=0,2S) .......................................................................................................... 39

TABLA 11:VALORES PARA EL CÁLCULO DE ALFA Y BETA .............................................. 40 TABLA 12: VALORES DE N CON EL MÉTODO DE COWAN ............................................... 53 TABLA 13:VALORES DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD N (CHOW,1959) ........................ 53 TABLA 14:VALORES DE COEFICIENTES DE CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN ....................... 58 TABLA 15: ÁREA DE LAS SUBCUENCAS DEL CAUCE EL BORBOLLÓN. ............................. 67 TABLA 16:CLASES DE VALORES SEGÚN SU ALARGAMIENTO ......................................... 68 TABLA 17:CLASES DE VALORES SEGÚN SU COMPACIDAD ............................................ 68 TABLA 18:CLASES DE VALORES SEGÚN SU FORMA ..................................................... 68 TABLA 19:CLASES DE VALORES SEGÚN SU CAPACIDAD DE DRENAJE ............................ 69

TABLA 20: CLASES DE VALORES SEGÚN LONGITUD DE CAUCE PRINCIPAL. ..................... 70 TABLA 21:CLASES DE VALORES SEGÚN PENDIENTE DE CAUCE PRINCIPAL .................... 71 TABLA 22:CLASES DE VALORES SEGÚN PENDIENTE DE CAUCE PRINCIPAL .................... 72 TABLA 23:RESUMEN DE LOS PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS CALCULADOS A TRAVÉS DE

HERRAMIENTA IDRISI SELVA ............................................................................... 73 TABLA 24:PARÁMETROS DE TRÁNSITO PARA CAUCE “EL BORBOLLÓN” ......................... 76

INDICE DE GRÁFICOS

GRÁFICO 1: DISTRIBUCIÓN DE ÁREA DE FRECUENCIA .................................................. 70 GRÁFICO 2: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 25 AÑOS. ........................... 74 GRÁFICO 3: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 50 AÑOS. ........................... 74 GRÁFICO 4: HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 100 AÑOS .......................... 75 GRÁFICO 5: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA

VEHICULAR CON TR= 25 AÑOS ........................................................................... 77 GRÁFICO 6: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA

VEHICULAR CON TR= 50 AÑOS ........................................................................... 77 GRÁFICO 7:HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA

VEHICULAR CON TR= 100 AÑOS ......................................................................... 78 GRÁFICO 8: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA

VEHICULAR A PARTIR DEL HURACÁN CESAR ........................................................ 78 GRÁFICO 9: HIDRÓGRAMA TRANSITADO DESDE EL PUNTO DE CONTROL 12 HASTA LA CAJA

VEHICULAR A PARTIR DEL HURACÁN MITCH ......................................................... 79

ANEXOS: INDICE DE TABLAS

ANEXO DE TABLA 1:PERIODOS DE RETORNO RECOMENDADOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS

HIDRAULICAS .................................................................................................... 95 ANEXO DE TABLA 2: VALORES ESTADÍSTICOS DEL MÉTODO GUMBEL ........................... 95 ANEXO DE TABLA 3: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 5 MIN ........ 96 ANEXO DE TABLA 4: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 10MIN ...... 96 ANEXO DE TABLA 5: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 15 MIN ...... 96 ANEXO DE TABLA 6: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 30 MIN ...... 97 ANEXO DE TABLA 7: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 60 MIN ...... 97 ANEXO DE TABLA 8: PRECIPITACIÓN MÉTODO GUMBEL PARA UN TIEMPO DE 120 MIN .... 97 ANEXO DE TABLA 9: TIEMPO DE RETORNO DE 50 AÑOS CON EL MÉTODO DE BLOQUES

ALTERNOS ........................................................................................................ 98 ANEXO DE TABLA 10:TIEMPO DE RETORNO DE 100 AÑOS CON EL MÉTODO DE BLOQUES

ALTERNOS ........................................................................................................ 98

ANEXOS: INDICE DE FIGURAS

ANEXO FIGURA # 1: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC 25 AÑOS ................................. 99

ANEXO FIGURA # 2: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA TC 25 AÑOS ................................. 99

ANEXO FIGURA # 3: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA TC DE 25 AÑOS ............................ 99

ANEXO FIGURA # 4: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA TC DE 25 AÑOS ............................. 99



ANEXO FIGURA # 7: HIDROGRAMA DEL PC-7 PARA TC DE 25 AÑOS ....................................... 99

ANEXO FIGURA # 8: HIDROGRAMA DEL PC-8 PARA TC DE 25 AÑOS ........................................ 99

ANEXO FIGURA # 9: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 25 AÑOS ..................................... 99

ANEXO FIGURA # 10: HIDROGRAMA DEL PC-9 PARA TC DE 25 AÑOS ..................................... 99

ANEXO FIGURA # 11: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA TC DE 25 AÑOS......................... 99

ANEXO FIGURA # 12: HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA TC DE 25 AÑOS......................... 99

ANEXO FIGURA # 13: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC DE 50 AÑOS ........................... 99

ANEXO FIGURA # 14: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 25 AÑOS ... 99

ANEXO FIGURA # 15: HIDROGRAMA DEL PC-2 PARA TC DE 50 AÑOS........................... 99








ANEXO FIGURA # 23:HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 50 AÑOS ......................... 99

ANEXO FIGURA # 24:HIDROGRAMA DEL PC-11 PARA TC DE 50 AÑOS ......................... 99

ANEXO FIGURA # 25: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 50 AÑOS ... 99

ANEXO FIGURA # 26: HIDROGRAMA DEL PC-12 PARA TC 50 AÑOS ............................ 99

ANEXO FIGURA # 27: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA TC DE 100 AÑOS ......................... 99









ANEXO FIGURA # 36: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA TC DE 100 AÑOS ....................... 99



ANEXO FIGURA # 39: HIDROGRAMA DEL PC-1 PARA EL HURACÁN CESAR .................... 99

ANEXO FIGURA # 40: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA TC DE 100 AÑOS . 99

ANEXO FIGURA # 41: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA HÚRACAN CESAR ........................ 99


ANEXO FIGURA # 43: HIDROGRAMA DEL PC-4 PARA HURACÁN CESAR ........................ 99






ANEXO FIGURA # 49: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA HURACÁN CESAR ...................... 99





ANEXO FIGURA # 54: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA HURACÁN CESAR . 99


ANEXO FIGURA # 56: HIDROGRAMA DEL PC-3 PARA HURACÁN MITCH ......................... 99






ANEXO FIGURA # 62: HIDROGRAMA DEL PC-10 PARA HURACÁN MITCH ....................... 99



ANEXO FIGURA # 65: HIDROGRAMA DEL PC-CAJA VEHICULAR PARA HURACÁN MITCH . 99

ANEXO FIGURA # 66: CAJA VEHICULAR DE CARRETERA NORTE (CAUCE EL BORBOLLÓN)

....................................................................................................................... 99

ANEXO FIGURA # 67: TRAMO AGUAS ARRIBA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ..................... 99

ANEXO FIGURA # 68: CAJA VEHICULAR ..................................................................... 99

ANEXO FIGURA # 69: CARRETERA NORTE (CAJA PUENTE ) ........................................ 99

ANEXO FIGURA # 70: CONDICIONES ACTUALES DE LA CAJA VEHICULAR ....................... 99

ANEXO FIGURA # 71: TRAMO AGUAS ABAJO DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ....................... 99

ANEXOS: INDICE DE MAPAS MAPA 1: DELIMITACION DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN ........... 99 MAPA 2: USO DE SUELO DE LA CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLÓN .......... 99 MAPA 3: RANGOS DE PENDIENTES DE LA CUENCA DEL CAUCE EL

BORBOLLÓN ................................................................................................. 99 MAPA 4: RANGOS DE ELEVACIONES DE LA CUENCA DEL CAUCE

BORBOLLÓN ................................................................................................. 99

CAPITULO I

18

1. GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCIÓN Entre los años 1936-1948 la ciudad de Managua tenía una estructura urbana

unipolar, pero a partir de la gran catástrofe causada por el terremoto en el año 1972

esta, se trasformó a una estructura multipolar, es decir que la capital ha crecido

urbanísticamente de forma desordenada, creándose así asentamientos irregulares,

repartos ilegales, tomas de terrenos urbanos etc., trayendo como consecuencia que

la labor para el manejo de estos sitios sea ardua pero no imposible.

Es por tal razón que las construcciones que se han desarrollado, son con el

propósito de suplir necesidades, así como evitar problemáticas que son

ocasionadas por desastres naturales o por el espontaneo crecimiento poblacional,

siendo este el motivo de fomentar el desarrollo de numerosos proyectos de

construcción que han favorecido el progreso tanto de la capital como las distintas

zonas y departamentos de Nicaragua.

A partir de la década de 1980 la gestión urbana se vio fragmentada y discontinua

lo cual trajo como consecuencia el aumento a la escorrentía superficial, en la

Subcuenca III de Managua el riesgo a inundaciones en la parte baja y media es

progresiva, a esta problemática se le suma las variaciones topográficas y el mal

manejo de los suelos en áreas que influyen directamente en las vías públicas, lo

cual están altamente deterioradas debido a falta de mantenimiento, asociadas a la

vulnerabilidad de la zona y a la falta de medidas de control de los procesos erosivos.

En la parte alta de la Subcuenca III se origina el cauce principal “El Borbollón”, su

caudal ha crecido de acuerdo al crecimiento urbanístico, destacando la zona baja

de la cuenca donde se dan las mayores afectaciones debido a las variaciones

abruptas del terreno. En la intersección del cauce con la Carretera Norte está en su

mayoría sedimentado debido que al estar en áreas Semi-urbanas arrastra gran

19

cantidad de desechos de cultivos, la zona de riesgo más crítica se encuentra entre

las urbanizaciones Sta. Helena y Monte fresco debido a que las inundaciones son

instantáneas a causa del aumento del fondo del cauce debido a los sedimentos,

que provoca el desborde por encima de la rasante de la carretera.

Por tanto, es de gran necesidad realizar estudios hidrológicos y la evaluación

hidráulica de una obra de cruce en la zona de la Subcuenca III, en específico para

el cauce “El Borbollón”, que permitan tener un registro de los efectos que causa la

naturaleza, y así contribuir al ordenamiento de la red de drenaje pluvial de Managua

en la actualidad. Por ende este trabajo se basa en evaluar la caja vehicular ubicada

en el Km 12 de Carretera Norte en el Distrito VI de Managua.

20

1.2 ANTECEDENTES

A lo largo de los distritos de Managua, específicamente en el distrito VI, no se

encuentran ríos, sin embargo, dada las características topográficas del terreno,

posee un relieve de pendientes abruptas donde se han desarrollado profundas

cañadas; éstas se comportan como ríos durante el periodo de lluvias ya sean

intensas o prolongadas, conectándose a la red de cauces que desembocan al lago

de Managua. A consecuencia de poseer una desordenada red de drenaje en la

ciudad y las lluvias intensas, pueden desbordar los cauces en algunos puntos

críticos de la ciudad, provocando inundaciones en los barrios bajos.

En el punto más bajo del sector del cauce “El Borbollón” de la Subcuenca III se

encuentra las mayores afectaciones en los barrios aledaños en donde en su

intersección con la carretera norte se encuentran Bo. Sta. Elena, Bo. Monte fresco

y Bo. Alexis Arguello que son los más afectados según estudios territoriales del

distrito VI de Managua.

Estos barrios cuentan con un drenaje deficiente e intrincado, y también es afectada

eventualmente por los desbordamientos del Cauce y por la escorrentía generada en

su propia área (MANAGUA, 2008).Dentro del barrio, los caminos sirven como

cauces y no tienen capacidad para las escorrentías que se producen. Y por tanto

se inunda la mayor parte de los barrios con frecuencia.

De acuerdo con las orientaciones del presidente Daniel Ortega y las autoridades de

la alcaldía de Managua dieron a conocer los daños ocasionados actualmente con

las fuertes lluvias en el mes de mayo. Según el registro de la estación del Aeropuerto

Agusto C. Sandino reporta 53mm de lluvia, sin embargo en ciudad Sandino y

Tipitapa se reportan 100 mm de lluvias.

Destacando que el lugar más afectado de esa zona es Monte fresco, sobre la

carretera norte. En esa zona se presenta el desborde del cauce del Borbollón

21

arrastrando sedimentos y material vegetal, lo cual provoca la inundación de un

promedio de 50-60 viviendas tanto en Monte Fresco como en el barrio Santa Elena.

22

1.3 JUSTIFICACIÓN El presente trabajo de culminación de estudio dará a conocer la evaluación de la

caja vehicular del cauce “El Borbollón” ubicada en carretera norte km 12 ½,

cercanas a las urbanizaciones de Sta. Helena y Monte fresco, tiene como objetivo

evaluar las problemáticas de los sectores aledaños tanto al cauce como a la obra

de cruce para que en un futuro tomar decisiones en la mejora del sistema de

drenaje pluvial en Managua.

Por tanto se pretende hacer un análisis hidrológico adecuado, para determinar el

caudal proveniente desde el origen del cauce hasta el punto de cierre localizado en

la caja vehicular de la carretera norte, de tal manera que nos permita tener un mejor

control. Una vez determinado el caudal con los periodos de retornos adecuados se

procederá a evaluar la obra de cruce con sus dimensiones reales para determinar

las condiciones en la que se encuentra, ya que debido a la fuerte intensidad de las

lluvias en los últimos años se han provocado se han provocado estragos en las

cercanías de la caja vehicular, de forma que el nivel del agua sobrepase la rasante

de la carretera provocando pérdidas económicas sustanciales y en un futuro puede

provocar pérdidas humanas.

23

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivos Generales

Evaluación hidráulica de caja vehicular del cauce “El Borbollón” en el Km

12 ½ Carretera Norte del distrito VI de Managua.

1.4.2 Objetivos específicos

Efectuar el estudio hidrológico de la cuenca del cauce “El borbollón” con

respecto al punto de cierre en la caja vehicular.

Determinar los caudales de diseño a partir de periodos de retornos 25, 50,100

años y con los eventos extremos del Huracán Mitch y Huracán Cesar.

Valorar el funcionamiento de la caja vehicular con sus dimensiones reales.

24

CAPITULO II

25

2. BASES TEÓRICAS

2.1 Estudio Hidrológico de la cuenca Según (Sheng, 1992) todo análisis de cuencas hidrográficas, para ser eficaz, debe

de realizarse un esfuerzo relativamente intenso en una zona limitada por lo que es

necesario elegir esta con mesura, un análisis hidrológico permite determinar los

recursos hídricos disponibles para un posterior análisis y diseño hidráulico.

Existen diversos factores que influyen directamente en el análisis hidrológico de una

cuenca, cuyo estudio permite la obtención de caudales de diseños que garantizaran

el buen funcionamiento del sistema de drenaje proyectado, acorde a las exigencias

hidrológicas de la zona de estudio. Cuyas características físicas, presentes en el

estudio de la cuenca, forman un sistema que permite una mejor visión para el

comportamiento hidrológico de dicha zona.

2.1.1 Morfología de la cuenca hidrográfica La dificultad de relacionar las características físicas e hidrológicas de una cuenca

se debe a un gran número de factores (Linsley, Kohler, & Paulhus, 1988), estos

factores actúan directamente en el funcionamiento de la cuenca ya que no

únicamente interesa el volumen total de salida si no su distribución espacial y

temporal que permita tener conocimiento de las características. Ver tabla 1

Tabla 1: Parámetros Morfométricos para análisis de cuencas NUMERO PARAMETRO DETALLE

1 Área (A) Área Total de la Cuenca 3 Forma (F) Índice de Alargamiento

Índice de Compacidad Factor de forma

4 Drenaje (D) Orden del cauce Densidad de drenaje

5 Relieve (R) Longitud de Cauce Principal Pendiente de la cuenca Pendiente del Cauce Curva Hipsométrica Elevación promedio de la cuenca

26

2.1.1.1 Área de la cuenca. (A) Se denomina área de la cuenca a aquella zona en la cual las aguas superficiales

están delimitadas por su divisoria topográfica (parteaguas), el área es obtenida

mediante software especializados como Sistemas de Información Geográfica (SIG),

AutoCAD, Arc view, tomando en cuenta criterios de diseño específicos. Esta área

nos permite establecer una primera clasificación entre diversas cuencas en orden a

su tamaño. Ver tabla 2

Fuente: (CORASCO, 2008)

2.1.1.2 Parámetros según su forma.

A. Índice de alargamiento (Ia) Se considera como la máxima longitud tomando en cuenta solamente el cauce

principal y su ancho máximo medido perpendicularmente. Cuando este factor

converge a la unidad se consideran poco alargadas. Ver tabla 3

Dónde: Ia: Índice de alargamiento.

Lm: Longitud máxima de la cuenca.

l: Ancho máximo de la cuenca.

Tabla 2:Clases de tamaño de cuencas (km2) Rangos de áreas Clases de tamaño

Menos de 25 Muy Pequeña 25 a 250 Pequeña

250 a 500 Intermedia Pequeña 500 a 2500 Intermedia Grande

2500 a 5000 Grande Más de 5000 Muy Grande

27

Fuente:(CORASCO, 2008)

B. Indicé de compacidad (Kc) Se contempla como la relación entre el perímetro de la cuenca y la de una

circunferencia ya que según los estudios de Gravelius en 1914 considera que el

círculo inscrito posee la misma área de la cuenca que se estudia. Según

(CORASCO, 2008). Ver tabla 4

Dónde: Kc: Coeficiente de compacidad A: Área de la cuenca (Km2) P: Perímetro del área de la cuenca (Km) Estos valores de coeficiente no pueden ser menores a 1, y de manera que esta

tienda a converger a la unidad los volúmenes de agua serán mayores. Fuente:(CORASCO, 2008)

C. Coeficiente de forma. (Kf)

Se define como coeficiente de forma a la relación existente al área promedio de la

cuenca entre su longitud, desde su origen hasta su punto de cierre. Este coeficiente

Tabla 3:Clasificación de Valores de Alargamiento Rangos de Ia Clases de alargamiento

0.0 - 1.4 Poco alargada 1.5 - 2.8 Moderadamente alargada 2.9 - 4.2 Muy alargada

Tabla 4: Clasificación de Valores de Compacidad Rangos de Kc Clases de compacidad

1.00 – 1.25 Redonda a oval redonda 1.25 – 1.50 De oval redonda a oval oblonga 1.50 – 1.75 De oval oblonga a rectangular

oblonga

28

no puede ser menor a la unidad, y mientras más converja a este valor se considera

menos achatada. Ver tabla 5

Dónde:

Kf: Coeficiente de forma.

A: Área promedio de la cuenca (Km2)

L: Longitud de la cuenca (Km)


2.1.1.3 Parámetros según su drenaje

A. Orden de un cauce

“Cuando dos drenes o afluentes del mismo orden U se unen, se forma uno de otro

orden superior U+1“.(Strahler, 1957), Es decir jerarquizar de forma directa los

afluentes que se presentan tomando en cuenta los ramales primarios y secundarios

hasta llegar a un punto de cierre.

Esta clasificación se puede denominar de la siguiente forma:

Rio de primer orden: Ríos que no poseen afluentes. Rio de primer orden: Ríos que poseen afluentes de primer orden.

Rio de primer orden: Ríos que poseen afluentes de primer y segundo orden.

Tabla 5:Clasificación de Valores de Forma

Rangos de Kf Clasificación según su forma

0.01 - 0.18 Muy poco achatada

0.18 - 0.36 Ligeramente achatada

0.36 - 0.54 Moderadamente achatada

29

Fuente : (Strahler, 1957)

B. Densidad de drenaje (Dd)

Este parámetro refleja controles topográficos, litológicos, pedológico y

vegetaciones, tomando en cuenta la influencia del hombre. La densidad de drenaje

se calcula dividiendo la longitud total de las corrientes de la cuenca entre el área de

esta. Ver tabla 6

Dónde: Dd: Densidad de drenaje.

A: Área promedio de la cuenca (Km2).

L: Longitud de las corrientes efímeras, intermitentes, y perennes de la cuenca en

Km.

El valor de densidad de drenaje es inversamente proporcional a la extensión de la

cuenca. Para un valor alto de densidad corresponden grandes volúmenes de

escurrimiento la que producirá ascensos de las corrientes, se puede considerar que

valores próximos o máximos a 0.5 Km/Km2 indican eficiencia en la red de drenaje.


Tabla 6: Clasificación según densidad de drenaje Rangos de Densidad Clasificación según su

densidad 0.1 - 1.8 Baja 1.9 - 3.6 Moderada 3.7 – 5.6 Alta

Figura # 1: Ordenación de una red de canales

30

2.1.1.4 Parámetros según su relieve.

A. Pendiente de la cuenca

Controla de forma adecuada la velocidad en la cual se da la escorrentía superficial

de la Subcuenca la cual afecta de forma directa el tiempo de la precipitación para

concentrarse en la red de drenaje de las Subcuencas. Este parámetro influye en la

determinación del coeficiente de escorrentía.

B. Pendiente del cauce principal La pendiente media del cauce principal es igual al cociente del desnivel entre los

extremos del cauce principal y su longitud en planta.

Dónde:

H: Desnivel en el cauce principal

L: Longitud total del cauce principal

Sc: Pendiente del cauce

Es uno de los indicadores más importante del grado de respuesta de una cuenca a

una tormenta, está pendiente varia a lo largo del cauce, y según estudios se pueden

clasificar según lo siguiente. Ver tabla 7

Tabla 7:Valores de pendiente del cauce principal (m/m) Rangos de pendiente Clases de Pendiente

0.01-0.05 Suave 0.06-0.11 Moderada 0.12-0.17 Fuerte


31

C. Curva hipsométrica Este parámetro hidrológico representa el área drenada variando con respecto al

nivel de la superficie de la cuenca es decir cómo se comporta la cuenca a distintos

niveles topográficos. Toma en cuenta la relación entre la altimetría de esta y su

elevación. Las curvas hipsométricas también han sido asociadas con las edades de

los ríos.

Esta variación es indicada a partir de un gráfico la cual en el orden de las abscisas

se coloca los valores de la superficie drenada proyectada en Km2 y en las ordenadas

el nivel de esta generalmente en metros.

D. Elevación promedio de la cuenca

Este parámetro influye directamente en las características meteorológicas de la

cuenca, en la mayoría de los casos existe una similitud entre la precipitación de la

cuenca y la elevación de esta, mientras mayor es la cuenca con respecto a su

elevación mayor serán las precipitaciones en esta. Se calcula a partir:

Dónde:

H: Elevación promedio de la cuenca

Ci: Cota media del área delimitada por dos curvas de nivel

Curva Hipsométrica Figura # 2: Curva Hipsométrica

32

ai: Área entre curvas de nivel

A: Área total de la cuenca

E. Longitud del cauce principal

Este parámetro consiste en la suma de cada uno de los tramos del cauce

considerando de forma directa cada uno de los levantamientos planímetros que se

dan en la cuenca. Ver tabla 8

Este parámetro considerando su tamaño se puede clasificar de la siguiente forma.

Tabla 8:Clases de valores de longitudes del cauce principal Rangos de longitud en Km Clases de longitud del cauce

6.9-10.9 Corto 11 - 15 Mediano

15.1-19.1 Largo Fuente: (CORASCO, 2008)

F. Curva de área de frecuencia Es la estimación del porcentaje del área comprendida entre las curvas en estudio

con respecto a la superficie de la cuenca. Se define como la división del área entre

curvas y el área total de la cuenca dada en porcentaje

2.1.2 Geología de la cuenca

2.1.2.1 Uso de suelo En la ciudad de Managua el uso actual del suelo origina transformaciones como es

el aumento de la escorrentía superficial, debido a la influencia del ser humano en

donde la intervención de este ha provocado cambios sustanciales en la estructura

vegetal. En la alteración de la cubierta vegetal se distinguen dos tipos de

intervención humana, en una se elimina completamente al bosque, y la segunda en

la que se observa un proceso de transformación parcial.

33

Para un análisis general se logró reclasificar los usos de suelos en 7 tipos principales

en los cuales se encuentran los siguientes:

A. Bosque Está constituido por todos los conjuntos de vegetación leñosa con cobertura de

copas de árboles, cubierta por buenos pastizales.

B. Cultivo Son áreas dedicadas a labores agrícolas, donde los cultivos principales son maní,

maíz y algunas hortalizas como tomate, y sorgo. Asi como pequeñas unidades de

producción, con cultivos anuales, Semi-perennes y frutales, en donde generalmente

habitan los dueños de dichos huertos.

C. Comercio Según esta reclasificación se considera el uso de suelo el área que representa los

diferentes comercios que están ubicados en el área de estudio pueden ser

pequeños negocios de abarrotes hasta vendedores ambulantes y comerciantes

minoristas, también hay comercio diversificado como carpintería, servicios de

mecánica automotriz, salones de bellezas etc.

D. Área abierta 1 y 2

Es el área donde se ubican jardines, campos deportivos y cementerios, estos se encuentran dentro de un rango ya sea aceptables y óptimas condiciones.

E. Residencial Representa el área de las urbanizaciones en el área de análisis el cual actúan

como elementos importantes para la definición del crecimiento urbano cualquiera

sea la modalidad de los conglomerados de vivienda.

F. Agua Es un porcentaje el cual representa cuerpo de aguas como pequeñas presas,

bordos, quebradas etc.

34

G. Calles y Carreteras Representa el área donde se ha urbanizado y se han realizado construcciones de vías de acceso principales.

2.1.2.2 Tipo de suelo

El tipo de suelo nos ayuda a conocer de forma segura la permeabilidad del suelo

así como el grado de infiltración de lluvia. Mientras este sea más impermeable, la

escorrentía actuará con mayor velocidad en la superficie.

En el área de Managua no existe una columna estratigráfica única o completa, esto

se debe en parte a la fuerte meteorización y erosión de sus materiales en algunos

niveles.

Dependiendo de la ubicación los suelos pueden tener muchas clasificaciones y

características en la zona estudiada (Managua) las rocas piroclásticas,(Basalto,

tobas y pómez) se originaron como resultado de varios procesos geológicos, tales

como erupciones volcánicas violentas, meteorización, erosión y arrastres de los

mismos, los cuales han contribuido a la variada irregularidad de las relaciones

estratigráficas de los depósitos. Como consecuencia de los procesos geológicos tan

variados, actividad tectónica, morfología inclinada u ondulada del paisaje, muchos

horizontes de roca se encuentran interrumpidos, otros forman discordancia con

otros niveles, unos están bien calibrados, otros se depositaron irregularmente, otros

presentan estratificación cruzada etc.

A. Sedimentos

Los sedimentos es unos de los mayores problemas en las construcciones

hidráulicas ya que estos son sólidos y se pueden presentar de forma de sedimentos

en suspensión ó material de arrastre .La arcilla y el limo están en el agua en

suspensión: la grava, arena y rocas se mueven como carga de fondo cerca del piso.

35

B. Escoria Se puede entender por escoria al material que es desechado y que no tiene

ninguna utilidad en el suelo.

C. Basalto Esta son rocas volcánicas de textura muy dura y de grano fino que tiende a

agrietarse con dificultad estas poseen resistencia alta y son extraídas y utilizadas

en las construcciones bajo el agua, expuestas bajo el agua con el tiempo se ponen

resbaladizas.

D. Pómez

La piedra pómez es muy abundante en territorio nicaragüense y se encuentra

comúnmente en Managua, es una piedra de origen volcánico de características de

alta porosidad, ligera y sirve como aislante térmico.

La piedra pómez se encuentra combinada con otros suelos, muchas veces en la

superficie terrestre, normalmente debería ubicarse entre los estratos 2 o 3 del suelo.

E. Tobas La tobas se encuentran en el suelo con características similares a las pómez son

porosas y ligeras formadas por cal y encontradas principalmente en manantiales

donde hay concurrencia de cuerpos de aguas.

Mediante un estudio de suelo según (Gómez) se localiza la unidad más extensa de

suelo tobáceos encontrándose tanto en Managua como en la zona del Pacífico.

También se considera unidad estratigráfica guía por su extensión y uniformidad. Su

espesor varía entre 0.3m y 1.0m.

2.1.2.3 Granulometría del suelo La granulometría es la que permite determinar la proporción en que participan los

granos de suelos en función de sus tamaños, a esas proporciones, así como definir

la estructuración según su tipo.

36

Cuando se indica la textura del suelo, no se puede definir de una manera específica

ya que las partículas del suelo se encuentran combinadas con otros suelos es por

eso que se construye la curva granulométrica para la determinación de su tamaño

mediante métodos unos más utilizados es el de los tamices.

La granulometría también permite conocer de forma definida la estructuración del

suelo está según su tipo, como es:

2.1.3 Método del SCS

Esta técnica denominada Número de Curva del Servicio de Conservación de Suelos

de los Estados Unidos se basa en las características que posee cada tipo de suelo,

registrado en SCS con respecto a su capacidad de drenaje, a su vez nos permite la

determinación del coeficiente de escorrentía sin medir está directamente.

Este sistema de clasificación toma en cuenta los valores tabulados por la Soil

Conservation Service 1975 y relaciona el tipo del suelo y el uso del suelo para así

obtener valores que indique que tan permeable o impermeable es el suelo, estando

en dependencia de la cobertura vegetal del suelo así como condiciones

antecedentes de humedad y modo de utilización del terreno. Por tanto se elaboró

una tabla con los valores necesarios para el cálculo del CN (Ver tabla 10), cabe

destacar para una cuenca que tiene varios tipos de suelo y con diferentes usos de

tierra se calcula un CN compuesto.

CN compuesto =Σ (%) (CN)/ 100

Este procedimiento se basa en las dos hipótesis siguientes: La precipitación comienza a producir escorrentía directa (o comienza a producirse

precipitación neta, Pn) cuando la precipitación total caída hasta ese momento (Σp)

supera la abstracción inicial (Ia) antes del encharcamiento .se considera que el

umbral inicial es de 20% de la máxima abstracción potencial posible (s).

37

Se puede establecer una proporción en las que las relaciones de las dos cantidades

reales y las dos cantidades potenciales son iguales es decir:

(Abstracción producida) / (Abstracción máxima)= (p neta producida) / (p

neta máxima)

El tipo de suelo posee influencia en la tasa de descarga de los hidrógramas de la

escorrentía ya que afecta directamente la permeabilidad del suelo, así como la tasa

de infiltración de lluvia. En base a esto se involucran estos valores del número de la

curva la cual se subdividieron en grupos los tipos de suelos existentes.

38

Fuente: Hidrología Aplicada (Chow, 1994 )

Tabla 9:Tipos de suelos existentes con base al uso de la tierra para el cálculo del número de la curva SCS

Grupo de Suelo

Descripción Razón final de infiltración

(mm/h) A Potencial mínimo de escurrimiento .Incluye

arenas profundas con muy poco limo y arcilla y también rápidamente permeables.

8 a 12

B Potencial de escurrimiento moderadamente bajo. La mayor parte son suelos arenosos menos profundos que en A, loess menos profundos o menos agregados que en A. pero el grupo como un todo tiene infiltración arriba del promedio después de la humectación completa.

4 a 8

C Potencia de escurrimiento moderadamente alto. Comprende suelos pocos profundos y suelos que contienen gran cantidad de coloides y arcillas aunque en menor grado que en el grupo D. La infiltración en el grupo es inferior al promedio después del pre saturación.

1 a 4

D Potencial de escurrimiento máximo .Incluye principalmente arcillas con un porcentaje alto de hinchazón, pero también algunos suelos someros con Sub-horizontes casi permeables cerca de la superficie.

0 a 1

39

Tabla 10:Números de curva de escorrentía para uso selectos de tierra agrícola, suburbana y urbana (condiciones antecedentes de humedad II, Ia=0,2S)

Descripción del uso de la tierra A B C D

Tierra cultivada

Sin tratamientos de conservación 72 81 88 91

Con tratamientos de conservación 62 71 78 81

Pastizales Condiciones pobres 68 79 86 89

Condiciones optimas 39 61 74 80

Vegas de ríos

Condiciones optimas 30 58 71 78

Bosques Troncos delgados, cubierta pobre, sin hierbas, cubierta buena.

45 66 77 83

25 55 70 77

Áreas abiertas

Césped, parques, campos de golf, cementerios, etc. óptimas condiciones, cubierta de pasto en el 75% o más condiciones aceptables, cubierta de pasto en el 50 al 75 %

39 61 74 80

49 69 79 84

Áreas comerciales de negocios (85 % impermeables) 89 92 94 95

81 88 91 93

Residencial Tamaño promedio del lote

Porcentaje promedio impermeable

1/8 acre o menos 65 77 85 90 92

1/4 acre 38 61 75 83 87

1/3 acre 30 57 72 81 86

1/2 acre 25 54 70 80 85 1 acre 20 51 68 79 84

Parqueaderos pavimentados, techos, accesos, etc. 98 98 98 98

Calles y carreteras

Pavimentadas con cunetas y alcantarillado 98 98 98 98 Grava 76 85 89 91 Tierra 72 82 87 89

Fuente: Hidrología aplicada (Chow, 1994 )

40

2.1.4 Curvas IDF por el método de Gumbel Para el cálculo de las curvas IDF se utiliza el método de Gumbel, el cual consiste

en una distribución estadística que es utilizada en el cálculo de caudales de

avenidas para el dimensionamiento y diseño de grandes obras hidráulicas. Esté

método se basa en probabilidades en el estudio máximo de una serie donde los

datos a utilizar en las relaciones es de media, desviación estándar y valores de μ,

σ que son calculados durante todo el proceso. Ver tabla 11

Tabla 11:Valores para el cálculo de alfa y beta

N y y N y y 10 0.4967 0.9573 40 0.5436 1.1413 11 0.4996 0.9676 41 0.5442 1.1436 12 0.5039 0.9833 42 0.5448 1.1458 13 0.507 0.9971 43 0.5453 1.1480 14 0.51 1.0095 44 0.5458 1.1499 15 0.5128 1.0206 45 0.5463 1.1519 16 0.5154 1.0306 46 0.5468 1.1538 17 0.5176 1.0396 47 0.5473 1.1557 18 0.5198 0.1048 48 0.5477 1.1574 19 0.5202 1.0544 49 0.5481 0.1159 20 0.5236 1.0628 50 0.5485 1.1607 21 0.5252 1.0696 51 0.5489 1.1623 22 0.5268 1.0754 52 0.5493 1.1638 23 0.5283 1.0811 53 0.5497 1.1658 24 0.5296 1.0864 54 0.5501 1.1667 25 0.5309 1.0915 55 0.5504 1.1681 26 0.532 1.0961 56 0.5508 0.1696 27 0.5332 1.1004 57 0.5511 1.1708 28 0.5343 1.1047 58 0.5515 1.1721 29 0.5353 1.1086 59 0.5518 1.1734 30 0.5362 1.1124 60 0.5521 1.1747 31 0.5371 1.1159 65 0.5535 1.1803 32 0.538 1.1193 70 0.5548 1.1854 33 0.5388 1.1226 75 0.5559 1.1898 34 0.5396 1.1255 80 0.5569 1.1938 35 0.5403 1.1285 85 0.5578 1.1973 36 0.541 1.1313 90 0.5586 1.2007 37 0.5418 1.1339 95 0.5593 1.2038 38 0.5424 1.1363 100 0.56 1.2065 39 0.543 1.1388


41

El valor máximo que se requiere para un determinado periodo de retorno se

determina por medio de la expresión:

X = Xm + Dx= Xm + K * Sn-1

Dónde:

X: Valor máximo (caudal o precipitación) para un periodo de retorno T.

Xm: media de la serie dada de valores máximos.

Dx: Desviación respecto a la media que se estima mediante le producto de K*S n-1

K: Factor de frecuencia, que indica el número de veces de la desviación típica en el

valor extremo considerando excede a la media de la serie.

S n-1: Desviación estándar, desviación típica de los valores extremos.

Calculados todos los componentes para cada periodo de retorno se pueden

construir las curvas IDF conforme a los datos de intensidades facilitadas por

INETER.

2.1.5 Método de bloques alternos El método del bloque alternos consiste en desarrollar hietogramas de diseño

utilizando una curva de intensidad –Duración –frecuencia.

Los hietogramas de diseño refleja la profundidad de precipitación que ocurre en n

intervalos de tiempo sucesivos de duración Δt sobre una duración total de Td=n Δt.

Después de seleccionar los periodos de retorno de diseño, la intensidad es

determinada a través de la ecuación de la curva generada por las IDF, para cada

una de las duraciones. Por consiguiente la profundidad de precipitación

correspondiente dada en mm se encuentra multiplicando la intensidad y la duración

dependiendo de cada intervalo de tiempo.

Los valores sucesivos de profundidad determina la cantidad de precipitación que

debe añadirse por cada unidad adicional del tiempo, para cada incremento de

42

bloque se a reordenando en una secuencia temporal de manera que la intensidad

máxima ocurras en el centro de la duración requerida y los demás bloques en orden

ascendente alternos de izquierda y derecha de tal manera que se pueda formar el

denominado hietograma de diseño. Ver Figura # 3


2.1.6 Parámetros para el transito

A. Intensidad de la lluvia (I) Las intensidades de lluvias son calculadas para un tiempo crítico de concentración

(tc) de una tormenta de diseño que posee un tiempo de retorno determinado

Los valores de las intensidades de las precipitaciones de la lluvia pueden ser

tomadas directamente de las curvas IDF (Intensidad –Duración –Frecuencia) de las

estaciones meteorológicas representativas, calculadas para diferentes tiempos de

retorno.

Figura # 4: Hietograma de diseño utilizando método de Bloques Alternos

43

B. Tiempo de concentración (Tc) El tiempo de concentración se define como el tiempo que tarda una gota de agua

en llegar a la parte más alejada de la cuenca en todo su recorrido al sitio de la salida

de la cuenca. Generalmente este parámetro de tránsito para un punto dado de

captación de aguas pluviales se divide en dos partes; el tiempo invertido en el flujo

superficial hasta totalidad del drenaje del área correspondiente, y el tiempo de viaje

del flujo en la alcantarilla. Los tiempos para cada tramo se suman. A su vez pueden

determinar las características hidráulicas de los cauces urbanos.

A continuación la ecuación siguiente:

Tc = 0.0041 [(3.28 *L / √ Sc)] ^0.77

Dónde:

Tc: Tiempo de concentración

L: Longitud del cauce principal

Sc: Pendiente del cauce.

C. Velocidad de tránsito (Vt) La velocidad de tránsito para el flujo en la subcuenca se calcula con las formula de

la velocidad.

V = L / tc Dónde: V: Velocidad del flujo

L: Longitud total del cauce en la Subcuenca.

Tc: Tiempo de concentración en la cuenca.

Cuando más de una subcuenca converge en el punto inicial del tránsito entonces

será el promedio aritmético de las velocidades del flujo en cada subcuenca.

44

Vt= 1/n [V1+V2+….+Vn]

Donde N es la cantidad de subcuencas que convergen en el punto a partir del cual

se hará el tránsito.

En el segundo tránsito y los posteriores será el promedio aritmético considerando la

velocidad del flujo en cada subcuenca que convergen en el punto donde inicia el

transito incluida la velocidad de los tránsitos inmediatos anterior realizados hasta

cierto punto.

Vt = 1/x [V1+V2+….+Vt]

Dónde:

X: Representa la cantidad de datos a sumar.

D. Longitud del tránsito (Lt)

Es la distancia entre dos puntos de control consecutivos, que están medidos desde

el cauce principal de la cuenca en estudio dado en metros o kilómetros.

E. Tiempo de retardo (K)

Es el tiempo pico del hidrograma a transitar y el tiempo pico del hidrograma

transitado dado en minutos o en horas.

K = Lt / Vt

Dónde:

K=Tiempo de Retardo

Lt= Longitud del tramo del cauce principal a través del cual se hará el tránsito.

Vt= Velocidades del tránsito a realizar.

F. Hidrograma triangular sintético

Es un gráfico generado a partir de los datos del tiempo de concentración (tc) o

tiempo pico (tp) y el caudal pico obtenido por el método (transito avenidas).se

45

plantea que la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración de la cuenca

al mismo tiempo pico del hidrograma.

El grafico es generado por un modelo computacional utilizando la ordenada para los

valores de caudal y la abscisa para el tiempo.

2.1.7 Método transito avenida con variante de Muskingum Consiste en la modulación de hidrógramas que representan gráficamente el

comportamiento de los caudales tanto de entrada como de salida en función del

tiempo, en uno de los puntos más largos de un curso de agua en el cauce, por tanto

proporciona niveles de agua en el cauce con valores inusuales, como consecuencia

a los crecimientos del caudal que circula en la red de drenaje

Este aumento en la mayoría de los casos, es consecuencia a precipitaciones

extraordinarias la cual la superficie de la cuenca no es capaz de infiltrarlas ya sea

por su uso o tipo de suelo. Generalmente los métodos para predecir el tiempo y la

magnitud de una avenida está asociado a lo que se denomina crecidas.

Además representa un modelo de estimación de caudales, principalmente de

torrenciales como se generan los flujos y como varían en el transcurso del tiempo y

lo largo del recorrido, pero para este estudio se pueden emplear diferentes métodos

siendo unos de los más utilizados la variante de Muskingum.

El método de Muskingum creado por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos

en 1938 y relaciona el almacenamiento en un cauce mediante un proceso de

combinación:

Almacenamiento Prismático formado por un volumen de sección transversal

constante a lo largo del cauce prismático.

Almacenamiento formado por la diferencia de los caudales de entrada y de

salida, o bien por la pendiente de la lámina de agua en el tramo considerado.

46

Figura # 5: Método de Muskingum

Fuente: (Román, Julio 2013)

La aplicación del método de tránsito de avenidas en la variante de Muskingum

(modelo de almacenamiento) se realiza de la siguiente forma:

Con un valor de (x) y un valor de (K) un valor de (t) igual al tiempo de concentración

mayor de las micro cuencas incluidas en un tramo particular, se obtienen valores de

C0, C1 y C2; los valores de (I) que se usan se tabulan y los productos C0I2 y C1I1 se

calculan.

K: es el tiempo estimado que tarda la onda de avenida en recorrer el tramo en

(Horas).

X: coeficientes de forma del cauce cuyo valor oscila entre 0.0 y 0.5.

Estos valores no son constantes si no que varían con el caudal circulante en cada

momento, siendo mucho más apreciable la variación de K que X, por lo que algunos

autores consideran ese parámetro constante.

También se utiliza el valor de K como el valor constante de tiempo de

almacenamiento para el tramo, cuando más tarda el pico en desplazarse por un

tramo, más pronunciado es el efecto de atenuación. Por tanto si es más grande, el

agua tardará más tiempo en atravesar el tramo y por tanto el punto de crecida será

menor o más distribuido.

47

Cuando se utiliza el factor de ponderación(X) y el factor de atenuación (K) juntos se

cuenta con un método solido de modelización para calcular un caudal de avenida a

través de un sistema fluvial.

La ecuación del Muskingum es la siguiente:

02=C0*I2+C1*I1+C2*O1 Dónde:

O2: Caudal de salida al momento de tránsito (m3/s)

I2: Caudal de entrada al momento del tránsito (m3/s)

01: Caudal de salida un instante antes del tránsito (m3/s)

I1: Caudal de entrada un instante antes del tránsito (m3/s)

C0, C1, C2: coeficiente de rugosidad del cauce.

Es importante recordar este método se basa en varias suposiciones en las cuales,

solo es válido para ondas de avenidas de variación lenta y no se toma en cuenta en

condiciones de flujos complejas.

A. Coeficiente de rugosidad

C0=- (KX-0.5t)/K-KX+0.5t

C1= (KX+0.5t)/K-KX+0.5t

C2=(K-KX-0.5t)/K-KX+0.5t

Dónde: K: tiempo de retardo o constante de almacenamiento en minutos. T: Tiempo del hidrograma a transitar.

48

X: Expresa la relatividad de las entradas y salidas del flujo al tramo de

almacenamiento del mismo. Su valor oscila entre 0.10 y 0.30 según las

características del cauce. Para cauces se utiliza el valor promedio 0.20.

Si se encuentran disponible hidrógramas de entrada y salida observados por un

tramo del canal se pueden determinar los valores de k y X.

Los coeficientes de rugosidad deben de cumplir que:

C0+C1+C2=1

2.1.8 Topografía La topografía es unos de las pautas primordiales para la realización de diseños de

obras ya que hace posible conocer el terreno en el cuál se desarrollará la

construcción y permitirá mitigar los problemas presentados en el sitio.

Además el estudio y levantamientos topográficos permiten conocer el desplante

geométrico para establecer compatibilidad técnica entre la obra de cruce y la

geometría vial de la carretera.

2.1.8.1 Levantamiento topográfico

Realizar el levantamiento con línea de diseño sobre el eje del cauce con una

longitud mínima de 200 metros aguas arribas y 200 metros aguas abajo.

Las secciones transversales deben de levantarse a cada 20 metros, son ortogonales

al eje de la corriente y la longitud a la izquierda y hacia la derecha deben de

prolongarse hasta pasar sobre la altura de inundación de crecidas de referencia

máxima.

El eje de la vía debe estar amarrado con la línea levantada sobre el eje del cauce.

49

En el caso de estructuras como puentes alcantarillas aletones se debe tomar en

cuenta la medición y nivelación de todos los detalles tales como diámetros de las

estructuras, nivel de entrada, nivel de salida, socavación por corrientes etc.

2.2 Estudio Hidráulico

2.2.1 Modelación hidráulica del cauce (Hec-Ras)

El programa fue desarrollado por el centro de ingeniería hidrológica del cuerpo de

ingenieros militares de los Estados Unidos (Hydrologic Engineering Center), para

realizar análisis de ríos (River Análysis System).

El Hec Ras facilita:

El cálculo de perfiles de agua y de los parámetros hidráulico del cauce.

Permite desarrollar estudios de flujos unidimensionales, permanentes y variados,

con regímenes subcritico, supercrítico en tramos de cauce con pendientes menores

de 10%.

Desarrolla cálculos de profundidades de socavación. Entre otras aplicaciones

hidráulicas como la modelación de puentes con diferentes formas pilas y estribos, y

calcular parámetros hidráulicos tales como niveles de agua velocidades y áreas

mojadas para diferentes caudales en el sitio de cierre.

Modela flujos bajos y altos esto es de acuerdo a la escorrentía estimada por el

diseño se puede determinar la estructura del puente más eficiente a lo que respecta

la capacidad hidráulica.(Nestor, 2012)

Para la modelación del software se necesita conocer lo siguiente:

50

2.2.1.1 Principio de la continuidad El principio de la continuidad se refiere a un fluido que hace su recorrido por un

ducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal

varía de una sección del conducto a otra.

Se puede decir que todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen

laminar), la velocidad de un punto cualquiera de un conducto es inversamente

proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma.

La ecuación de continuidad es el caso particular del principio de conservación de la

masa. En el cual el caudal del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda

la conducción.

Dado que el caudal es la cantidad de líquido que circula en un tiempo determinado

por la velocidad con que fluye el fluido.

Dado que:

(Q=V/t)

Figura # 6: Representación de la Ecuación de la continuidad

Fuente: Hidráulica canales abiertos(Mejía, octubre 2011)

2.2.1.2 Ecuación de Manning

La ecuación de Manning está basada en los datos experimentales debido a la

simplicidad de su forma y de los resultados satisfactorio que arroja en aplicaciones

prácticas la ecuación de Manning se ha convertido en las más utilizadas de todas

51

las ecuaciones de flujo uniforme para cálculos en canales abiertos la evolución de

la fórmula de Chezy la cual sirve para el cálculo de la velocidad del agua en canales

abiertos y tuberías, propuesta por el ingeniero irlandés Robert Manning en 1889.

V= 1/n (R2/3S1/2)

Dónde:

V: Velocidad media

R: Radio hidráulico

S: Pendiente de la línea de energía

n: Coeficiente de rugosidad

Q=VA=1/n*A*R2/3*S1/2

Dónde:

Q: Caudal que circula por el canal (m3/s).

A: Área de la sección transversal del canal.

Para diferentes condiciones de diseño se debe tomar en cuenta los factores que

afectan el coeficiente de rugosidad:

Vegetaciones: Esta situación se manifiesta con mayor frecuencia dependiendo de

las estaciones climáticas del año y de acuerdo a la claridad o transparencia del

agua, es decir que este crecimiento es mayor y por lo tanto más grave por que altera

principalmente los valores supuestos en base únicamente a la rugosidad.

Las irregularidades del canal: Corresponde al perímetro mojado y secciones

transversales, tamaño y forma de la longitud del canal.

Transporte de sedimentos y material en suspensión: este caso las partículas de

suelo que se trasladan en suspensión por el agua debido a la velocidad del

escurrimiento tiende a depositarse en el fondo del canal el fundamental problema

52

en un canal puede ser el arrastre de sedimentos ya que puede cambiar la

irregularidad y lo puede convertir en uno uniforme y disminuir el ¨n¨.

Tirante: se obtiene que aumentar el tirante la rugosidad relativa disminuye y

por lo tanto disminuye el coeficiente ¨n¨.

Superficie del canal: Este es representado por el tamaño y la forma de los

granos del material que forma el perímetro mojado y que producen un efecto

retardante sobre el flujo.

La estimación del coeficiente de rugosidad de Manning por el método de Cowan

quien determino los parámetros que afectarían el valor de n antes mencionado.

n: ms (n0+n1+n2+n3+n4) Dónde:

n: coeficiente de rugosidad de Manning

Ms: Frecuencia de meandros (Factor de corrección de sinuosidad)

n0: material del lecho

n1: grado de irregularidad.

n2: variación de la sección a lo largo del canal.

n3: efecto de obstrucciones

n4: densidad de vegetación.

La importancia de este método radica que es aplicable a corrientes naturales no

revestidos cuyo valor mínimo de rugosidad es de 0.002,ademas considera el efecto

del arrastre de fondo y del material en suspensión y es aplicable para canales

pequeños y medianos cuyo radio hidráulico sea menos que (RH<4.5).

53

Tabla 12: Valores de n con el método de Cowan

Superficie del canal

tierra n0 0,020 roca 0.025

grava fina 0.024 grava gruesa 0.028

Irregularidad suave n1 0,000 menos 0.005

moderada 0.01 severa 0.02

Variación de la sección

gradual n2 0,000 ocasional 0.005 frecuente 0.010-0.015

Efectos de obstrucción

menos n3 0.010-0.015 apreciable 0.020-0.030

severo 0.040-0.050 Vegetación bajos n4 0.005-0.010

medio 0.010-0.025 alto 0.025--0.050

muy alto 0.050-0.1 Intensidad de

meandros menos m5 1,000

apreciable 1,150 severo 1,300

Fuente: Hidráulica canales abiertos(Mejía, octubre 2011)

Tabla 13:Valores del coeficiente de rugosidad n (chow,1959) TIPO DE CANAL Y DESCRIPCIÓN Mínimos Normal Máximo

pastos densos ,altos como la profundidad del flujo 0.05 0.08 0.12 Fondo limpio ,arbustos en los lados 0.04 0.05 0.08 igual ,al más alto nivel del flujo 0.04 0.07 0.11 Arbustos densos ,nivel alto 0.08 0.10 0.14

CURSOS NATURALES CURSOS MENORES (ANCHO SUPERIOR AL

NIVEL DE CRECIDA<100ft) a. Cursos en planicie b. Limpio ,recto, nivel lleno ,sin fallas o pozos profundos 0.025 0.030 0.033 c. Igual de arriba pero más piedras y pasto 0.030 0.035 0.040 d. Limpio, curvado ,algunos pozos y bancos 0.033 0.040 0.045 Igual que arriba ,pero algunos pastos y piedras 0.035 0.045 0.05

54

Igual que arriba ,nivel inferiores, más pendientes y sección inefectivas 0.04 0.048 0.055 Igual que 4 ,pero más piedras 0.045 0.05 0.06

Tramos sucios ,con pastos y pozos profundos 0.05 0.07 0.08 tramos con muchos pastos, pozos profundos o recorridos de la crecida con mucha madera y arbustos bajos 0.075 0.1 0.15

Cursos en montañas, sin vegetación en el canal, laderas con pendientes usualmente pronunciadas, árboles y arbustos a los largos de las laderas sumergidos para niveles

altos.

Fondo : grava ,canto rodado y algunas rocas 0.03 0.04 0.05 Fondo : canto rodado con grandes rocas 0.04 0.05 0.07

Fuente: Help settings Software Hec Ras.

2.2.2 Conceptualización del Hec Ras

El Hec Ras según sus características es una herramienta de proyectos que facilita

Información geométrica necesaria para llevar a cabo simulaciones.

Además unos de los principales objetivos del programa es el cálculo de perfiles de

flujo en todos los puntos de interés para obtener un conjunto de datos (simulación

de flujos uniforme), o también puede variar según la metodología hidrológica a

través de sistemas no uniformes.

Para obtener los resultados esperados y el diseño de dicho cauce es necesario

dividir los cálculos en sus dos componentes: Datos Geométricos y datos hidráulicos.

2.2.2.1 Componentes de datos geométricos Los datos geométricos proporcionan una relación entre la sección esquemática del

cauce, datos de la secciones transversales, longitud del tramo, coeficientes de

energía de pérdidas, información de la conexiones de flujos por cada tramo del

cauce y también datos de las estructuras hidráulicas ubicadas a lo largo del tramo

del objeto en estudio, ya sean puentes, caídas hidráulicas, micro presas etc.

55

2.2.2.2 Sistema esquemático del cauce

El esquema es una parte esencial el cual consta de un dibujo donde representa los

tramos conectados y asi puntualizar los extremos de aguas arriba y aguas abajo de

esta forma introducir los datos geométricos de las secciones que conforman el

cauce.

La conectividad de los tramos es de vital importancia ya que debe de realizarse con

el debido orden para que el modelo comprenda el sistema de drenaje y asi realice

los cálculos de un tramo a otro con sus respectivas direcciones de flujo, estas

conexiones son realizadas estableciendo un punto localizado donde uno o más

flujos convergen o se dividen.

Fuente: Manual de Hec Ras (Nestor, 2012)

El Hec Ras incluye en el sistema esquemático los datos geométricos principalmente

las secciones transversales a lo largo del cauce, la secciones transversales son

introducidas mediantes cotas del terreno de diversos puntos esto permite al

programa que mediante dos secciones contiguas, separadas por una distancia

conocida, el modelo calcula la pendiente del tramo. En cuanto al sistema numérico

del Hec Ras tiene que ser preciso ya que asume que los valores altos de las

secciones son aguas arribas y los valores bajos son aguas abajo.

Figura # 7: Sistema esquemático del cauce con ubicación de la obra de cruce

56

2.2.2.3 Secciones transversales del cauce

Las secciones es una representación localizadas a través de una corriente del tramo

donde puede ocurrir un cambio en la descarga, de pendiente, de la forma de la

sección o de la rugosidad del cauce en donde se encuentren estructuras tales como

puentes etc.

Las secciones transversales del cauce son unas de las condiciones geométricas

que necesita el programa para realizar la simulación ya que esta nos permite la

caracterización del flujo en corrientes naturales.

Dichas secciones son especificadas a distancias largas en dependencia de las

características de los perfiles del flujo, involucrando como parte esencial el flujo

central del cauce y las planicies de inundación. Las secciones transversales son

descritas mediante el Hec ras por la estación y la elevación como pares ordenados

de izquierda a derecha en el sentido de aguas abajo formando unas columnas de

datos que es representado en el margen izquierdo la distancia y en el lado derecho,

será la cota del terreno de fondo del cauce.

Según En el programa Hec ras hace consideraciones de las condiciones hidráulicas

para cada sección como: las distancias de los márgenes, las distancias del centro

del cauce con respecto a la sección aguas abajo inmediata tomando en cuenta los

valores del coeficiente de Manning por el método de cowan. El software necesita

conocer os puntos donde ese inicia la planicie de inundación, los cuales permitirán

acotar el canal principal.

2.2.2.4 Secciones transversales con flujo inefectivo Son determinadas como áreas de la sección transversal con elevaciones bajas del

cauce, donde el agua se estanca es decir donde la elevación de la banca es mayor

que el nivel del agua del cauce adyacente. En el Hec Ras la opción de secciones

transversales con flujo inefectivo es usada cuando la superficie del agua está por

debajo de las elevaciones inefectivas que se establecen a la izquierda de la banca

izquierda y las áreas a la derecha de la banca derecha son consideradas inefectivas,

57

si no se aplica correcciones en las alturas de las superficies del agua entonces el

programas las asume que en una porción de la sección existe transporte de agua.

Fuente : Manual del Hec Ras (Nestor, 2012)

2.2.2.5 Coeficientes de contracción y expansión En la modelación del Hec Ras estos coeficientes su importancia radica en

que sirven para determinar las pérdidas de energía entre las secciones

adyacentes.

Las pérdidas de energía entre dos secciones es expresada de la siguiente

manera:

hp: LSf +C [(α2V22/2g)-(α1V12/2g)]

Dónde:

L: Longitud del cauce en peso de la carga.

SF: gradiente hidráulico entre las secciones contiguas.

C: Coeficientes de pérdidas por expansión o contracción.

L= [LBIQBI+LcQC+LBDQBD/QBI+QC+QBD]

Dónde:

LBI,LC, LBD: Longitudes especificas del caudal en el cauce considerando las

banca izquierda, la línea central y la banca derecha.

Figura # 8: Esquema de áreas inefectivas del flujo

58

QBI, QC, QBD: Promedio aritmético de caudales entre las secciones las

secciones contiguas correspondientes a la banca izquierda, la línea central y

la banca derecha del cauce.

El software asume que la contracción ocurre cuando la carga de velocidad es

grande con respecto a la carga de velocidad aguas arriba, por lo contrario asume

una expansión.

Se puede decir que cuando los cambios de sección son pequeños en un cauce los

coeficientes de expansión y de contracción pueden andar por los valores de pueden

andar en el orden 0.1 y 0.3, en el caso en que los cambios sean abruptos los

coeficientes andan por 0.3 y 0.5 como puede ser en los puentes.

Fuente: Manual Hec Ras (Nestor, 2012)

Se puede decir que los coeficientes empíricos contenidos en la el valor máximo

puede ser bajo solo que el flujo sea supercrítico debido a que su carga de velocidad

sea grande y el pequeño cambio en su profundidad puede ocasionar cambios

prolongados en su carga de velocidad. Unos valores próximos para los coeficientes

para la transición gradual en flujo supercrítico el 0.01 para la contracción y para la

expansión son de 0.03.

Tabla 14:Valores de coeficientes de Contracción y expansión

Detalle Contracción Expansión

No hay perdidas en transición 0.0 0.0

transición gradual 0.1 0.3

secciones típicas de puentes 0.3 0.5

transiciones abruptas 0.6 0.8

59

2.2.2.6 Componentes de datos hidráulicos para flujos permanentes

Para la realización de la modelación del cauce se necesitará información de los

caudales que correspondan a los perfiles de flujo a calcular y las condiciones de

contorno para cada tramo correspondiente.

A. Perfiles de flujo en función de los caudales

El software (Hec Ras) está diseñado para evaluar hasta 25000 perfiles de flujo

correspondientes a caudales hidrológicos con diferentes periodos de retorno. El

dato de los caudales ingresados es para cada periodo de retorno desde aguas arriba

hasta aguas abajo.

B. Condiciones de control para perfiles de flujo

Para obtener la correspondiente información de las condiciones de contorno en un

perfil del flujo es necesaria establecerla en cada tramo para indicar los niveles de

agua inicial para cada tramo del cauce aguas arribas y aguas abajo.

Para pendientes pequeñas las condiciones de contorno solo es necesario en el

extremo de aguas abajo del tramo inferior del cauce natural, en pendientes

considerables de régimen supercrítico se necesita el régimen aguas arribas y se

calculara un régimen mixto del cual también tendrá los dos extremos necesarios.

C. Profundidad Normal (Norma Depth)

Este es para condiciones donde el flujo se aproxime al flujo uniforme .para este caso

hay que introducir la pendiente del tramo de influencia, en decimales.

D. Curva del caudal (Rating Curve)

Se refiere a la curva del caudal Cuando existe alguna sección de control con relación

entre el tirante y el caudal.

60

CAPITULO III

61

3. DESCRIPCION DEL PROYECTO

3.1 Macro localización.

La Cuenca Sur del lago de Managua tiene una extensión de 825 Km2 la conforman

los municipios de Ticuantepe, Ciudad Sandino y parte de Mateare, El Crucero,

Tipitapa, Nindiri y La Concepción.

Debido a la diversidad de cuerpos de agua y la necesidad de auxiliar los problemas

de drenajes pluviales en distintos puntos críticos de la capital, se divide la Cuenca

Sur de Managua en Subcuencas, abarcando diferentes distritos, dadas las

características fisiográficas, geológicas y topográficas. El Borbollón es el cauce

principal de la Sub-Cuenca III de la cuenca Sur de Managua.

CUENCA DEL CAUCE EL BORBOLLON

Figura # 9: Macro-localización de la Cuenca del cauce El Borbollón

62

3.2 Micro Localización. La cuenca del Rio Borbollón está localizada en la Subcuenca III de Managua

extendiéndose desde la parte alta de la meseta del Crucero, tomando en cuenta el

municipio de Ticuantepe atravesando los distritos V, VI de la ciudad de Managua,

hasta nuestro punto de cierre localizado en la caja vehicular del Km 12 de la

carretera norte, con coordenadas geográficas de 12°09’5.45” Norte; 86°09’8.57” con

una cota de 53 msnm.

Esta cuenca cuenta con un aproximado de 128.091 Km2. Este cauce drena

prácticamente toda la Subcuenca III.

3.3 Caracterización de área de estudio

3.3.1 Cuenca alta La Subcuenca III tiene drenaje natural de Sur a Norte,

con pendientes pronunciadas en la parte alta, acá se

encuentran los municipios la Concepción, Ticuantepe

y el Crucero obteniendo una elevación variables

Figura # 10: Recorrido por Municipios de Managua y obra de cruce en Carretera Norte del cauce el Borbollón

Figura 11: Parte alta de la Subcuenca III. (Municipio de Ticuantepe).

63

desde 436.111 hasta 935.000 msnm . Cabe destacar que está zona de la

Subcuenca III se caracteriza por ser de origen volcánico.

Entre algunas de las normativas ambientales de rango nacional se debe mencionar

la declaración de área protegida de algunos sitios (Chocoyero, Montibely) que dan

testimonio de la riqueza en biodiversidad de la parte alta de la Subcuenca III con

una forestación densa, que retiene una cantidad importante de sedimentos y brinda

un servicio ambiental de regulación y retención a la cuidad de Managua.

3.3.2 Cuenca media

En la parte media se han consolidado sectores habitacionales que han sustituido a

las quintas y fincas rurales por residencias de mayor densidad y urbanizaciones

dadas a las características geomorfológicas posee un relieve plano ligeramente

ondulado donde se han desarrollado cauce con pendientes bajas, las cuales se

comportan como ríos durante las lluvias intensas y prolongadas. Su relieve varía

entre 236.556 hasta 436.111 msnm.

Al norte de la misma carretera el terreno es plano, con pendientes en el rango de 1

al 10%.Las características del terreno son apreciables fácilmente.

Fuente: (Enacal, 2003)

Figura # 12: Cuenca media del cauce el Borbollón

64

3.3.3 Cuenca baja

En la parte baja en su mayoría el terreno es plano, con pendientes en el rango del

1 al 10 %, con elevaciones desde los 37.000 hasta los 236.556 msnm (Ver la figura).

La zona costera del lago de Managua es considerada la zona más afectada ante

inundaciones ocasionadas por las lluvias torrenciales que provocan las crecidas del

lago afectando las zonas que se encuentran por debajo de la cota máxima de

inundación que es de 43 msnm según ordenanza municipal 07-90.

Por otro lado, la parte baja se caracteriza por un crecimiento popular, parcialmente

planificado y con fuerte presencia de asentamientos espontáneos que no cuentan

con los servicios básicos primarios como calles y alcantarillado. Este crecimiento ha

venido desarrollándose alrededor de los núcleos históricos de los barrios Los

Laureles y Villa Libertad, y se ha incrementado a partir del año 1990

En la cuenca sur de Managua se presentan sustitución de la vegetación original por

los cultivos anuales dispersos, esto han permitido que la erosión forme hondonadas

y cañadas, especialmente en las áreas de pie de monte dando como resultados

elevaciones de (200-450msnm).

3.3.4 Descripción de la caja vehicular

El punto de cierre ubicado en la caja vehicular de Carretera Norte con coordenadas

UTM 592228.32 E; 134345.21 N consta de 3 alcantarillas en forma de caja, sus

dimensiones son de 3.60 m por 2.05 m y tiene una longitud de 26.00 metros la cual

es el ancho de la Carretera Norte.

La caja vehicular se localiza entre el estacionado 0+200 y el 0+180 teniendo una

distancia entre estas secciones de 32 metros los cuales están distribuidos de la

siguiente manera, del estacionando 0+200 hasta el inicio de la caja vehicular se

65

tiene una longitud de 5 metros, 26.00 metros de longitud de caja puente y 1 metro

del final de la caja puente hasta el estacionado 0+180.

Figura # 13: Caja Vehicular Carretera Norte

66

CAPITULO IV

67

4. PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS

4.1 Parámetros Morfométricos de la cuenca

4.1.1 Área y Perímetro La cuenca del Cauce El Borbollón hasta su punto de cierre en la caja vehicular en

carretera norte, con UTM; X=592238.39 Y=1343435.23, posee un área de 128.091

Km2 con un perímetro de 90 Km, estos datos fueron obtenidos mediante el software

ARC GIS, a partir de información dada por INETER. Por su orden de tamaño es

clasificada como una cuenca pequeña ya que la superficie está en el rango entre

los 25 a 250 Km2.

Tabla 15: Área de las Subcuencas del cauce el Borbollón.

SUB CUENCAS Arc Gis (N) Area (Km2)

SC-1 W510 9.235 SC-2 W500 10.034 SC-3 W490 0.602 SC-4 W480 11.977 SC-5 W470 0.126 SC-6 W460 8.859 SC-7 W450 4.762 SC-8 W440 4.490 SC-9 W430 4.670 SC-10 W420 7.053 SC-11 W400 3.872 SC-12 W410 3.583 SC-13 W390 0.498 SC-14 W380 0.079 SC-15 W370 4.315 SC-16 W360 0.790 SC-17 W350 9.274 SC-18 W340 6.271 SC-19 W330 8.336 SC-20 W320 7.912 SC-21 W300 3.708 SC-22 W290 3.778 SC-23 W280 4.063 SC-24 W270 9.804

TOTAL 128.091

68

4.1.2 Forma de la cuenca

A. Índice de alargamiento (Ia)

Esta relación nos indica que la cuenca del cauce “El Borbollón” está en capacidad

de absorber altas precipitaciones sin generar crecidas de grandes proporciones,

cabe destacar que al ser de clasificación moderadamente alargada, la escorrentía

se transitara con mayor tiempo de concentración.

B. Índice de compacidad (Kc)

2.23

Según los resultados obtenidos, se considera la cuenca de forma alargada, como

no converge a la unidad los volúmenes de agua son de menor cantidad. Cabe

destacar que aunque tenga volúmenes menores, al poseer cambios abruptos de las

pendientes en la parte alta con respecto a la parte baja y variaciones considerables

en el uso de suelo, las afectaciones suelen ser considerables en zonas de la cuenca.

C. Coeficiente de forma

Tabla 16:Clases de valores según su alargamiento

Rangos de Ia Clases de alargamiento

2.9 - 4.2 Moderadamente alargada

Tabla 17:Clases de valores según su Compacidad

Rangos de Kc Clases de compacidad

1.50 – 1.75 De oval oblonga a rectangular oblonga

Tabla 18:Clases de valores según su forma

Rangos de Kf

Clasificación según su forma

0.01 - 0.18 Muy poco Achatada

69

Según el valor obtenido y la clasificación dada se considera que la cuenca es muy

poco achatada. Por tanto esta menos sujeta a crecientes y afecta a las

características de escurrimiento de la cuenca. (0.01 < 0.117 > 0.12).

Cabe destacar que en el caso de la cuenca del cauce “El Borbollón”, el valor

calculado para la elongación es probablemente un valor medio que parece estar

cubierto por dos situaciones distintas.

En la parte alta, la cuenca tiende a tener una forma redondeada, mientras que la

parte media y baja tiende a presentar mayor elongación, en otras palabras, es un

valor bajo para toda la cuenca pero si se observa con detalle tiende a ser menor en

la parte alta y su valor se incrementa en la parte media y baja, cuando la cuenca

empieza a presentar mayor alargamiento

4.1.3 Drenaje de la cuenca

A. Densidad de drenaje

Para un valor bajo de densidad corresponden volúmenes de escurrimiento no muy

altos, se puede considerar que valores próximos o máximos a 0.5 Km/Km2 indican

eficiencia en la red de drenaje.

De esta manera, se refleja un bajo escurrimiento de la cuenca; en consecuencia a

ello, su magnitud está indirectamente relacionada con la infiltración, y obviamente

con la litología y la cobertura vegetal. En otras palabras, puede afirmarse que

terrenos permeables se caracterizan por baja densidad de drenaje.

Tabla 19:Clases de valores según su capacidad de drenaje

Rangos de Densidad(Km)

Clasificación según su densidad

0.1 - 1.8 Baja

70

4.1.4 Relieve de la cuenca

A. Curva de área de Frecuencia

B. Longitud de cauce principal

El cauce principal hasta el punto de cierre

ubicado en la carretera norte posee una

longitud de 33.047 Km.

Según la clasificación dada la longitud de cauce principal se considera larga ya que

sobrepasa el límite.15.1 Km < 19.1 Km < 33.047 Km

Al presentarse que la longitud de cauce principal entra en un rango considerado

como largo supone mayores tiempos de desplazamiento de las crecidas.

Tabla 20: Clases de valores según longitud de cauce principal.

Rangos de Lc

Clasificación según longitud

15.19 - 19.1 Largo

Gráfico 1: Distribución de área de frecuencia

71

C. Pendiente de la cuenca

A través de la herramienta Idrisi Selva se determinó este parámetro, dando como

resultado una pendiente media del 24.40 %.

D. Pendiente del cauce principal

Este parámetro varia durante el recorrido del cauce principal dando como resultado

un promedio del 3.06° equivalentes al 5.34%; por tanto se clasifica como una

pendiente entre los limites suave y moderada.

Al determinarse que la pendiente del cauce se localiza entre los límites de suave a

moderada nos indica que las aguas que circulan por esta cuenca no están siendo

sometidas a grandes velocidades.

Tabla 21:Clases de valores según Pendiente de cauce principal

Rangos de pendiente

Clases de Pendiente

0.01-0.05 Suave

0.06-0.11 Moderada

Figura # 14: Perfil del cauce del Rio “El Borbollón”

72

E. Curva Hipsométrica

4.1.5 Elevación promedio de la cuenca

A. Elevación media La elevación media de la cuenca es de 462.25 en metros sobre el nivel del mar

(msnm) por tanto está muy bajo ya que su clase de desnivel altitudinal aún no se

considera dentro del rango de lo especificado. (462.25 msnm < 600msnm < 1220

msnm). Elevación de la Cuenca

Altitud Inicial: 858 msnm

Altitud mínima: 35 msnm

Cauce Principal Máxima altitud : 725 msnm

Tabla 22:Clases de valores según Pendiente de cauce principal

Rangos de elevación en msnm

Clases de elevación

600 - 1220 Bajo

Figura # 15: Curva hipsométrica del cauce " El Borbollón"

73

Tabla 23:Resumen de los parámetros Morfométricos calculados a través de herramienta

Idrisi Selva

Parámetros Morfométricos Unidad Registro Simbología Cuenca Hidrográfica - 1.00 Borboll_

Superficie de Cuenca Km2 128.091 A_km2

Perímetro de Cuenca Km 90.00 P_km

Elevación media msnm 462.25 Em_m

Pendiente Media % 24.40 Pm_p

Índice de Compacidad - 2.23 Kc

Coeficiente de Forma - 0.117 Rci

Longitud del rio del eje principal - 33.047 Lc_km

Altitud inicial - 858.00 Emx_m

Altitud media msnm 37.00 Emn_m

Pendiente Promedio del rio principal ° 3.06 Sc_p

Tiempo de concentración Kirpich - 4.83 Tc_Kirpich_h

4.2 Estudio Hidrológico

4.2.1 Determinación de las precipitaciones a través del método de Gumbel y

Bloques Alternos

El estudio hidrológico permite determinar, bajo ciertos criterios, la probabilidad de

ocurrencia de avenidas de una cierta magnitud, dependiendo de las características

Morfométricos de la cuenca asi como de los datos de precipitación brindada.

Utilizando el método de Gumbel y a partir de los datos proporcionados por INETER

se determinaron las intensidades de lluvia (mm/h) para 5, 10, 15, 30, 60 y 120

minutos, con periodos de retorno de 25, 50 y 100 años respectivamente y se logró

elaborar las curvas Intensidad-Frecuencia-Duración (IDF).Posteriormente al utilizar

74

el método de Bloques Alternos se determinaron las profundidades de precipitación

en ciertos intervalos de tiempo formando asi los hietogramas para cada periodo de

retorno.

7.7813.14

18.81

40.22

21.39

13.8911.36

0.93

15 30 45 60 75 90 105 120

HIETOGRAMA PARA PERIODO DE RETORNO DE 25 AÑOS

5.000

20.48825.021

43.740

19.44313.807 12.500

5.429

15 30 45 60 75 90 105 120


Gráfico 2: Hietograma para periodo de retorno de 25 años.

Gráfico 3: Hietograma para periodo de retorno de 50 años.

75

Hietogramas de diseños elaborados para periodos de retorno de 25, 50 y 100 años

en 2 horas con intervalos de 15 minutos, desarrollado para la cuenca del cauce “El

Borbollón” utilizando el método de los bloques alternos.

4.2.2 Método de tránsito de avenidas con la variante de Muskingum con herramienta Hec–Hms 3.4

9.00013.880

26.632

47.232

30.248

17.00811.750

7.452

15 30 45 60 75 90 105 120


Gráfico 4: Hietograma para periodo de retorno de 100 años

Figura # 16: Esquema de cuenca del cauce “El Borbollón” en Hec-Hms 3.4.

76

Tabla 24:Parámetros de tránsito para cauce “El Borbollón”

Transito Puntos de Control

Longitud de

tránsito (m)

Tiempo de Concentración

(min) V cuenca (m/min)

Vtransito (m/min)

K (Hr)

X (0.2-0.5)

1 PC-1 A PC-2 907.11 34.19 26.53 52.03 0.29 0.20 2 PC-2 A PC-3 501.42 21.39 23.45 35.22 0.24 0.20 3 PC-3 A PC- 5 3897.89 94.60 41.20 45.70 1.42 0.20 4 PC-4 A PC-5 1235.98 42.60 29.01 38.15 0.54 0.20 5 PC-5 A PC-7 739.41 27.78 26.61 36.82 0.33 0.20 6 PC-6 A PC-7 437.99 14.75 29.70 26.52 0.28 0.20 7 PC-7 A PC-8 804.26 33.87 23.75 29.03 0.46 0.20 8 PC-8 A PC-9 4425.34 111.18 39.80 30.13 2.45 0.20 9 PC-9 A PC-10 3161.90 95.63 33.06 36.36 1.45 0.20 10 PC-10 A PC-11 491.13 46.49 10.56 34.55 0.24 0.20 11 PC-11 A PC-12 4839.90 129.42 37.40 23.98 3.36 0.20 12 PC-12 A CAJA 6987.30 216.47 32.28 29.29 3.98 0.20

Habiendo determinado los parámetros de tránsito especificado en la tabla anterior.

Sé transfirió, al modelo creado en Hec-Hms, los datos obtenidos anteriormente para

determinar los hidrógramas sintéticos para cada subcuenca, así como los

hidrógramas transitados en los puntos de control. Cabe destacar que el orden lógico

para el tránsito de avenidas se realizó desde aguas arriba hasta el punto de cierre

en la caja vehicular, señalando cada uno de los caudales en los puntos de control

dependiendo exclusivamente del tiempo de retorno seleccionado.

Debido a la cantidad de sub cuencas que posee la red de drenaje del cauce el

borbollón se detallara solamente el Hidrógrama transitado desde el punto de control

número 12 hasta la caja vehicular para determinar el caudal máximo que se

traspone a la obra de cruce.

77

Caudal máximo probable a partir de Tr= 25 años.

En el grafico observa que el caudal máximo que llegara a la caja vehicular es de

207.93 m3/s. Destacando los hidrógramas resultantes del tránsito desde el punto de

control 12 a la caja vehicular (línea punteada en azul más continua), así como el

Hidrógrama sintético de la sub cuenca 24 (W270) la cual es el más cercano al punto

de cierre. Así mismo se determinaron los caudales para periodos de retorno de 50

y 100 años.

Caudal máximo probable a partir de Tr =50 años

Q= 207.93 m3/s

Q= 252.31 m3/s

Gráfico 5: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr= 25 años

Gráfico 6: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr = 50 años

78

Caudal máximo probable a partir de Tr = 100 años

Caudal máximo originado por Huracán Cesar Asi mismo se calculó a través de la herramienta Hec-Hms el caudal máximo

probable que se originó en la cuenca el borbollón en el año 1996 cuando se dio en

Nicaragua el Huracán Cesar, cabe destacar que los datos de precipitación fueron

brindados por INETER en intervalos de cada hora durante el periodo que duro la

tormenta.

Q= 298.48 m3/s

Q= 224.17 m3/s

Gráfico 7: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular con Tr = 100 años

Gráfico 8: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular a partir del Huracán Cesar

79

Caudal máximo originado por Huracán Mitch

4.2 Modelación Hidráulica

4.3.1 Modelación de la caja puente del cauce el Borbollón Mediante el Hec –Ras

Para llevar a cabo la modelización de la obra de cruce del cauce el Borbollón

mediante el software el Hec –Ras se ingresaron al programa los datos geométricos

de las secciones transversales, y los datos de flujos en el cauce desde aguas arribas

hacia aguas abajo.

Además se evaluó la condiciones de flujos para los periodos de retorno de 25, 50

y 100 años, asi mismo para eventos de huracanes de gran envergadura como fue

el huracán Cesar y el huracán Mitch. Se especificó la condición de flujo subcritico

el cual se necesita definir las condiciones de contorno aguas abajo.

Cabe destacar que los datos geométricos fueron proporcionados por la alcaldía (Ver

anexos el plano del levantamiento topográfico, secciones transversales).

Después de haber definido lo antes mencionado se procede a describir el desarrollo

del modelo hidráulico:

Q= 199.8 m3/s

Gráfico 9: Hidrógrama transitado desde el punto de control 12 hasta la Caja Vehicular a partir del Huracán Mitch

80

Ingreso de datos geométricos

Se introdujo un esquema similar del cauce el Borbollón para realizar la simulación

hidráulica de la caja puente, en la cual se describieron 300 metros aguas arriba y

200 metros aguas abajo asi como la localización de la caja vehicular. A su vez se

ingresaron al sistema cada una de las secciones transversales por estacionado

tomando en cuenta la información topográfica brindada por la Alcaldía de Managua.

FIGURA # 17: Detalle de Sección Transversal de Estación 0+500

Al mostrarse las elevaciones de los puntos principales que conforman la sección

transversal del cauce, correspondiente a su geometría, que son definidos por el

levantamiento topográfico se detallan las siguientes características:

El Downtream Reach lengths (LOB, CHANNEL, ROB) que se muestra en la (Figura

#14) se refieren a las distancias del margen izquierdo y derecho y la distancia a lo

largo del eje del cauce en las cuales se encuentran a cada 20 metros

aproximadamente.

El Manning´s n valúes se propone en dependencia de muchos factores los cuales

pueden ser: irregularidades de superficie, vegetación del canal, la alineación del

canal, las obstrucciones, el tamaño y la forma del canal, etapa y la descarga, los

cambios estacionales, y el material suspendido. En este caso se clasifica en: un

rango máximo de 0.033 con referencias a cauces naturales de tipo. En la tabla de

81

Main cannel bank station indican la sección natural del cauce, es decir delimita los

lugares efectivos del cauce.

En el caso de los coeficiente de contracción y expansión el software toma por

defecto los valores de 0.1 para contracción y 0.3 para el coeficiente de expansión

esos valores están vinculados con la perdida de energía durante el viaje de la onda

del flujo dada entre las dos secciones.

Datos para condiciones de flujo Se evaluó el comportamiento del flujo a partir de los caudales obtenidos para

periodos de retorno de 25, 50 y 100 años asi como para los huracanes Cesar y Mitch

realizándose el análisis del flujo para condiciones mixtas en el extremo aguas abajo

(Downstream) se consideró un régimen supercrítico, y en condiciones aguas arribas

(Upstream) En la figura se observan los valores que se ingresaron para este

contorno del flujo. Es importante destacar los valores S que corresponden a la

pendiente del primer tramo aguas arriba y último tramo aguas abajo del cauce.

FIGURA # 18: Condiciones de Contorno

El valor de pendiente de la sección aguas abajo (Downstream) y aguas arriba (

Upstream) se estimó conociendo las cotas mínimas de las secciones en el fondo de

cauce y la distancia entre los tramos, en este caso la distancia entre secciones

correspondían a 20 metros.

82

Pendiente para primer tramo aguas arriba:

Pendiente para último tramo aguas abajo:

Una vez determinadas las pendientes se procedió a introducir para cada una de las

secciones transversales los datos de caudal obtenidos anteriormente en el estudio

hidrológico.

FIGURA # 19: Datos de caudales de diseño para evaluación de caja vehicular

83

Evaluación de condiciones hidráulicas de caja vehicular

Una vez ingresado los datos geométricos y las condiciones de flujo se ejecutó la

simulación hidráulica de la caja vehicular y del cauce el Borbollón durante los

periodos de retorno de 25, 50 y 100 años así como para los huracanes Mitch y

Cesar.

FIGURA # 20: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr

= 25 años

FIGURA # 21: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo Tr= 25 años

84


FIGURA # 22: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr= 50 años

85

FIGURA # 24: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo Tr=100 años


86

FIGURA # 26: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo para Huracán Cesar.

FIGURA # 27: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo para Huracán Cesar.

87

FIGURA # 28: Sección de caja vehicular aguas arriba con condiciones de flujo para Huracán Mitch.

FIGURA # 29: Sección de caja vehicular aguas abajo con condiciones de flujo para Huracán Mitch.

88

CAPITULO V

89

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

De acuerdo a los objetivos y metodología planteada en el estudio se tienen las

siguientes conclusiones:

Durante el estudio hidrológico utilizando la herramienta ArcGIS se obtuvieron un

total de 24 micro-cuencas para la cuenca hidrográfica del cauce el Borbollón con su

punto de cierre en la caja vehicular, de tal manera que cada una de estas con

respecto a su área se encuentra aproximadamente en un rango de 0.2 a 12 km2,

siendo la micro-cuenca W480 (Sub Cuenca 4) la que posee mayor área con 11.977

Km2 y la de menor área es la micro-cuenca W380 (Sub Cuenca 14) con 0.079 Km2.

Una vez realizada esta distribución se determinaron los parámetros morfométricos

para la cuenca en general entre los cuales se tienen perimetro, área, elevaciones,

pendientes, longitud del cauce principal, índice de alargamiento, coeficiente de

forma, densidad de drenaje y distribución de área de frecuencia.

A partir del de los parámetros morfométricos y distribución antes señalada de la

cuenca se determinaron los caudales correspondientes, utilizando el método

tránsito de avenidas con la variante de Muskingum a través de la herramienta Hec-

Hms 3.4 y el ajuste de las curvas IDF aplicando el Método de Gumbel y Bloques

alternos para periodos de retorno de 25, 50, y 100 años obteniendo como resultado

los caudales de 207.93 m3/s, 252.31 m3/s, 298.48 m3/s.

Como parte de la estimación de caudales se obtuvo que para un periodo de retorno

de 25 años la subcuenca que más aporta a la red de drenaje de la cuenca del cauce

el borbollón es la W480 (Sub Cuenca 4) con un aporte de 101.5 m3/s, de igual

manera para los periodos de retorno de 50 y 100 años dando un aporte de 119.4

m3/s y 142.2 m3/s.

90

Al ingresar los datos de precipitación brindados por INETER de los huracanes Mitch

y Cesar se determinaron los caudales reales drenados dando como resultado

caudales de 199.8 m3/s y 224.17 m3/s.

Con respecto a la evaluación hidráulica de la caja vehicular se obtiene que a partir

de los caudales determinados en el estudio hidrológico, está trabajando de forma

inadecuada ya que el nivel de agua, para los caudales de los periodos de retorno

de 25, 50 y 100 años y los huracanes Mitch y Cesar, sobrepasan los niveles de la

rasante de la carretera llegando a los siguientes niveles:

Para un periodo de retorno de 25 años el nivel de agua en la sección donde se

encuentra la caja vehicular es de 103.51 m aguas arriba y de 103.14 aguas abajo,

para 50 y 100 años es de 104.13 m, 103.82 m y 104.74 m, 104.48m. Para los

huracanes Mitch y Cesar se determinaron los niveles de igual forma dando como

resultado 103.39 m, 103.01 m y 103.74 m, 103.39 m.

91

5.2 RECOMENDACIONES Dado al estudio previo realizado se recomienda lo siguiente:

Se sugiere hacer énfasis en las medidas preventivas antes que en las correctivas,

las cuales deben de estar tomado en cuenta sobre todo en la cuenca alta del cauce

el borbollón ya que se tiene que considerar crear un manejo integral de cuenca por

parte de las autoridades para reducir el cambio brusco del uso de suelo en esta

zona.

Es de vital importancia para estudios futuros realizar estudios de mitigación para

resolver problemáticas de arrastres de sedimentos que se producen en el sector

aguas arriba de la caja vehicular, que propicia el desarrollo de desborde a lo largo

del cauce, los cuales no fueron tomados en cuenta en este estudio por motivos de

tiempo y aportes económicos para la realización de pruebas de suelo.

Este trabajo es considerando un estudio posterior para mejorar el sistema de

drenaje pluvial por tanto no tiene que ser tomado como una crítica destructiva al

funcionamiento de la red de drenaje de la ciudad de Managua sino como un aporte

a los diseños de obras de drenaje pluvial ya que se deben de realizar obras viales

con capacidad hidráulica óptimas para drenar aguas productos de las escorrentías.

.

92

CAPITULO VI

93

5.1 BIBLIOGRAFIA ALMA. (2008). Actualizacion del estudio de drenaje pluvial de la Sub-cuenca III de

la cuenca sur del lago de Managua. Araya, Marvin Villalobos. (2005). Diseño de drenaje superficial. Editorial

Tecnologica de Costa Rica. CORASCO. (2008). Manual para la revision de estudios hidrotecnicos de drenaje

menor. Chow, Vente. (1994 ). Hidrologia aplicada Enacal. (2003). Estudio Agroecológico y Drenaje Pluvial de la subcuenca sur III. Gómez, Cajia y Asociados S.A. (2005). Informe de geologia de la ciudad de

Managua Linsley, R.K., Kohler, M.A., & Paulhus, J.L.H. (1988). Hidrología para ingenieros:

McGraw-Hill. Montserrat, J. (1985). Forma de una cuenca de drenaje. Análisis de las variables

morfométricos que nos la definen. Revista de Geografía Barcelona, pp. 41-68., vol. XIX.

ALMA.. (2008). Actualizacion del estudio de drenaje pluvial de la Subcuenca III de

la cuenca sur del lago de Managua. Alcaldia de Managua. Mejía, Nestor Javier Lanzas. (2011). Hidráulica Canales Abiertos Flujo Uniforme

Tablas Y graficos Nestor, Lanzas Mejia. (2012). Manual del Hec Ras Román, Javier Sánchez San. (2013). Transito de avenidas Dpto Geologia

Salamanca España. Sheng, T.C. (1992). Manual de campo para la ordenación de cuencas

hidrográficas: estudio y planificación de cuencas hidrográficas: FAO. Strahler, Arthur Newell. (1957) Orden de las corrientes. Llamas, J. (1993). Hidrología general. Universidad del Estado de México. Toluca.

México: 627 pp.

94

CAPITULO VII

95

5.2 ANEXOS

Anexo de Tabla 1: Periodos de retorno recomendados para el diseño de obras hidráulicas.

OBRA HIDRAULICA PERIODO DE RETORNO (AÑOS ) Caja vehicular o alcantarillas 25 Cauces principales naturales o artificiales 50 a 100

Cauces secundarios naturales o artificiales 10

cauces secundarios naturales ,en el caso de exceder caudal de 10 m3 /s 25

Micro presa 50 a 100 drenajes longitudinales cunetas y contra cunetas 5 a 10

Anexo de Tabla 2: valores estadísticos del método Gumbel

VALORES DE Y: MEDIA, DESV. ESTANDAR, ALFA Y BETA PARA DIFERENTES DURACIONES

5 10 15 30 60 120 Y MEDIA 157.893 128.917 107.805 76.840 51.367 29.986

STD. 38.875 24.889 22.921 20.029 18.542 14.583 N 42 42 42 42 42 42 sy 1.146 1.146 1.146 1.146 1.146 1.146 my 0.545 0.545 0.545 0.545 0.545 0.545

ALFA 0.029 0.046 0.050 0.057 0.062 0.079 BETA 139.409 117.082 96.906 67.317 42.550 23.052

96

Anexo de Tabla 3: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 5 min

Gumbel 5 min T Precipitación Prob(Pmax<=x) 2 151.844 0.500 5 190.299 0.800

10 215.760 0.900 25 247.929 0.960 50 271.795 0.980

100 295.484 0.990 200 319.086 0.995 500 350.225 0.998

Anexo de Tabla 4: Precipitación método Gumbel para un tiempo de 10min

Gumbel 10 min T Precipitación Prob(Pmax<=x)

2 125.044 0.500 5 149.664 0.800

10 165.965 0.900 25 186.561 0.960 50 201.841 0.980

100 217.007 0.990 200 232.118 0.995 500 252.055 0.998


Gumbel 15 min T Precipitación Prob (Pmax<=x)

2 104.238 0.500 5 126.912 0.800

10 141.923 0.900 25 160.891 0.960 50 174.962 0.980

100 188.929 0.990 200 202.845 0.995 500 221.205 0.998

97



2 73.724 0.500 5 93.536 0.800

10 106.654 0.900 25 123.228 0.960 50 135.523 0.980

100 147.728 0.990 200 159.888 0.995 500 175.931 0.998



2 48.482 0.500 5 66.823 0.800

10 78.967 0.900 25 94.311 0.960 50 105.693 0.980

100 116.992 0.990 200 128.250 0.995 500 143.102 0.998



2 27.717 0.500 5 42.142 0.800

10 51.694 0.900 25 63.762 0.960 50 72.714 0.980

100 81.601 0.990 200 90.455 0.995 500 102.137 0.998

98

Anexo de Tabla 9: Tiempo de retorno de 50 años con el método de bloques alternos

Tiempo de retorno de 50 años Tmin Imm/h P

0 0 0 15 174.967 43.740 30 135.523 33.881 45 117.00 26.423 60 105.693 105.943 75 96.000 24.000 90 88.000 22.000

105 80.000 20.000 120 72.714 18.179

Anexo de Tabla 10: Tiempo de retorno de 100 años con el método de bloques alternos

Tiempo de retorno de 100 años Tmin Imm/h P

0 0 0 15 188.929 47.232 30 147.728 36.932 45 130.000 29.248 60 116.992 117.242 75 108.000 27.000 90 96.000 24.000

105 89.000 22.250 120 81.601 20.400

99

Anexo de Tabla 11: Curvas Intensidad - Frecuencia - Duración

Fuente: IDF Ajustadas a partir de datos de precipitación brindados por Ineter.

100

Anexo Figura # 1: Hidrograma del PC-1 para Tc 25 Años


Anexo Figura # 4: Hidrograma del PC-4 para Tc de 25 Años




101







102


Anexo Figura # 14: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Tc de 25 Años





103





Anexo Figura # 23: Hidrograma del PC-11 para Tc de 50 Años Anexo Figura # 24: Hidrograma del

PC-10 para Tc de 50 Años

104

Anexo Figura # 25: Hidrograma del PC-caja Vehicular para Tc de 50






105







106


Anexo Figura # 37: Hidrograma delPC-11 para Tc de 100 Años

Anexo Figura # 39: Hidrograma del PC-1 para el Huracán Cesar

Anexo Figura # 40: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Tc de 100 Años

Anexo Figura # 41: Hidrograma del PC-3 para Húracan Cesar


107

Anexo Figura # 43: Hidrograma del PC-5 para Huracán Cesar






108



Anexo Figura # 54: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Huracán




109


Anexo Figura # 56: Hidrograma del PC-3 para Huracán Mitch





110





Anexo Figura # 65: Hidrograma del PC-Caja Vehicular para Huracán Mitch

111

Anexo Figura # 66: Caja Vehicular de Carretera Norte aguas abajo

Anexo Figura # 67: Tramo aguas abajo del cauce el Borbollón

Anexo Figura # 69: Carretera Norte (Caja Puente)

Anexo Figura # 68: Caja Vehicular

Anexo Figura # 71: Tramo aguas arriba del cauce el Borbollón

Anexo Figura # 70: Condiciones Actuales de la Caja Vehicular

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