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MANUAL DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y DRENAJE
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MANUAL DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y DRENAJE NDICE
CAPITULO I I. INTRODUCCIN 12 CAPITULO II II. OBJETIVOS 16 2.1 Objetivo 16 2.1.1 Objetivo General 16 2.1.2 Objetivos Especficos. 16 2.2 Antecedentes. 16 CAPITULO III III. HIDROLOGA 19 3.1 Alcances .. 19 3.2 Factores Hidrolgicos y Geolgicos que inciden en el Diseo Hidrulico de las Obras de Drenaje 20 3.3 Estudios de Campo . 20 3.4 Evaluacin de la Informacin Hidrolgica 21 3.5 rea del Proyecto - Estudio de la(s) Cuenca(s) Hidrogrfica(s) . 22 3.6 Seleccin del Perodo de Retorno 23 3.7 Anlisis Estadstico de Datos Hidrolgicos 25 3.7.1 Modelos de distribucin 25 3.7.1.1 Distribucin Normal 26 3.7.1.2 Distribucin Log Normal 2 Parmetros . 26 3.7.1.3 Distribucin Log Normal 3 Parmetros 27 3.7.1.4 Distribucin Gamma 2 Parmetros 28 3.7.1.5 Distribucin Gamma 3 Parmetros 28 3.7.1.6 Distribucin Log Pearson Tipo III 29 3.7.1.7 Distribucin Gumbel .. 29 3.7.1.8 Distribucin Log Gumbel .. 30 3.7.2 Pruebas de bondad de ajuste 30 a) Prueba x2 30 b) Prueba Kolmorov Smirnov .. 32 3.8 Determinacin de la Tormenta de Diseo . 33 3.8.1 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia.. 33 3.9 Tiempo de Concentracin 38 3.10 Hietograma de Diseo 40 3.10.1 Mtodo del Bloque Alterno 41 3.11 Precipitacin total y efectiva 42 3.11.1 Mtodo SCS para abstracciones . 42 3.12 Estimacin de Caudales 48
3
3.12.1 Mtodo IILA 49 3.12.2 Mtodo Racional 49 3.12.2.1 Mtodo Racional Modificado 50 3.12.3 Hidrograma Unitario 52 3.12.3.1 Obtencin de hidrogramas unitarios 54 3.12.3.2 Hidrogramas sintticos . 54 a) Hidrograma sinttico triangular del SCS .. 55 b) Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder 57 3.12.4 Sistema de Modelamiento Hidrolgico (HMS-Hydrologic Modeling System) 58 3.12.5 Otras Metodologas 62 3.13 Avenida de Diseo.. 65 CAPITULO IV IV. HIDRULICA Y DRENAJE . 68 4.1 Drenaje Superficial 68 4.1.1 Drenaje transversal de la carretera . 68 4.1.1.1 Aspectos generales . 68 4.1.1.2 Premisas para el estudio 68 a) Caractersticas topogrficas 68 b) Estudio de cuencas hidrogrficas 69 c) Caractersticas del cauce . 69 d) Datos de crecidas 69 e) Evaluacin de obras de drenaje existentes 69 4.1.1.3 Alcantarillas 70 4.1.1.3.1 Aspectos generales 70 4.1.1.3.2 Ubicacin en planta 71 4.1.1.3.3 Pendiente longitudinal . 71 4.1.1.3.4 Eleccin del tipo de alcantarilla 71 a) Tipo y seccin 71 b) Materiales . 73 4.1.1.3.5 Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseo de una alcantarilla 73 4.1.1.3.6 Diseo hidrulico . 74 4.1.1.3.7 Consideraciones para el diseo . 77 a) Material slido de arrastre 77 b) Borde libre .. 79 c) Socavacin local a la salida de la alcantarilla . . 79 d) Mantenimiento y limpieza . 80 e) Abrasin 81 f) Corrosin 81 g) Seguridad y vida til 82 4.1.1.4 Badenes . 83 4.1.1.4.1 Consideraciones para el diseo 84
4
a) Material slido de arrastre 84 b) Proteccin contra la socavacin 84 c) Pendiente longitudinal del badn 85 d) Pendiente transversal del badn . 85 e) Borde libre 85 4.1.1.4.2 Diseo hidrulico 85 4.1.1.5 Puentes 86 4.1.1.5.1 Aspectos generales 86 4.1.1.5.2 Consideraciones para el diseo .. 87 a) Informacin bsica 87 a.1) Topografa Batimetra del cauce y zonas adyacentes 88 a.2) Ubicacin del puente 89 a.3) Muestreo y caracterizacin del material del lecho 91 a.4) Avenida de Diseo o Caudal Mximo y Perodos de Retorno...92 a.5) Glibo o Altura libre 93 a.6) Coeficiente de rugosidad de cauces naturales (n de Manning) 94 a.7) Fajas Marginales 97 a.8) Evaluacin de obras existentes e informacin adicional 98 4.1.1.5.3 Parmetros Hidrulicos para el Diseo de Puentes 99 a) Perfil de flujo 99 b) Socavacin 99 4.1.1.5.4 Clculo Hidrulico 100 a) Clculo de niveles de agua 100 a.1) Consideraciones 101 b) Estimacin de la Socavacin 102 b.1) Procesos de socavacin asociados al diseo de puentes 102
b.2) Socavacin General 103 b.2.1) Mtodo de Velocidad Crtica y Agua Clara 104 b.2.2) Mtodo de Lischtvan Levediev 105 a) Para suelos granulares 106
b) Para suelos cohesivos 108 b.2.3) Mtodo de Straub 109 b.2.4) Mtodo de Laursen 109 b.3) Socavacin Local 113 b.3.1) Estimacin de la socavacin local en pilares 113 b.3.1.1) Mtodo de Laursen y Toch (1953,1956) . 114 b.3.1.2) Mtodo de Neill (1964) 118 b.3.1.3) Mtodo de Larras (1963) . 119 b.3.1.4) Mtodo de Arunachalam (1965, 1967) 122 b.3.1.5) Mtodo de Carsten (1966) 122 b.3.1.6) Mtodo de Maza-Snchez (1968) 123 b.3.1.7) Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977).. 128 b.3.1.8) Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 129 b.3.1.9) Mtodo de Froehlich (1991) . 133
5
b.3.1.10) Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 134 b.3.2) Estimacin de la socavacin local en estribos ...... 138 b.3.2.1) Mtodo de Liu, Chang y Skinner . 142 b.3.2.2) Mtodo de Artamonov 144 b.3.2.3) Mtodo de Laursen 145 b.3.2.4) Mtodo de Froehlich .. 147 b.3.2.5) Mtodo de Melville 151 b.3.2.6) Mtodo HIRE .. 155 b.4) Resumen de Metodologas y Frmulas para el clculo de la Socavacin 156 4.1.1.5.5 Obras de Proteccin 161 a) Enrocados 161 1) Mtodo de Maynord 161 2) Mtodo del U. S. Department of Transportation 162 3) Mtodo del Factor de Seguridad 163 3.1) Enrocado para el talud . 163 3.2) Enrocado para pie de talud 166 3.3) Diseo del filtro 166 b) Gaviones 167 b.1) Proteccin de pilares 168 b.b.1) Mtodo de Maza Alvarez (1989) 169 b.b.2) Mtodo propuesto en HEC-18 (1993). 169 4.1.2 Drenaje longitudinal de la Carretera 170 a) Perodo de retorno 170 b) Riesgo de obstruccin 170 c) Velocidad mxima del agua . 171 4.1.2.1 Cunetas 171 a) Capacidad de las cunetas 173
b) Caudal Q de aporte 176 c) Dimensiones mnimas 176 d) Desage de las cunetas 178 e) Revestimiento de las cunetas .. 179 4.1.2.2 Cunetas o zanjas de coronacin ........................................ 179 4.1.2.3 Zanjas de drenaje 181 4.1.2.4 Cunetas de banqueta 182 4.1.2.5 Bordillos 182 4.1.2.6 Canales de drenaje 184 4.2 Drenaje Subterrneo 184
4.2.1 Subdrenaje 185 4.2.1.1 Requerimientos de Obras de Subdrenaje en proyectos viales 185 4.2.1.2 Subdrenaje convencional 186 4.2.1.3 Subdrenaje sinttico 187
a). Red de Malla Sinttica (similar Geodren) 187 b). Geotextil .. 188
6
c) Tubo colector perforado 188 4.2.1.4 Criterios de diseo 188
a) Caudal de diseo 188 b) Determinacin del tipo de geotextil filtrante 189
c) Determinacin de las dimensiones de la seccin transversal 194 d) Tasa de Flujo .. 196
4.2.2 Cajas de registro y buzones 196 4.2.3 Drenes de penetracin . 197 4.2.4 Drenaje del pavimento 199 4.2.5 Proteccin del suelo de la explanacin contra el agua libre en terreno de elevado nivel fretico, llano y sin desage 200 4.2.6 Proteccin del suelo de explanacin situado bajo la calzada contra los movimiento capilares del agua 201 4.2.7 Capa drenante 202
CAPITULO V V. ANEXOS 203 - Laminas 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07 - Bibliografa 213 - Glosario 217
7
INDICE DE FORMULAS
Frmula 1 Seleccin del Perodo de Retorno 13
Frmula 2 Distribucin Normal . 16
Frmula 3 Distribucin Log Normal 2 parmetros 16
Frmula 4 Distribucin Log Normal 3 parmetros 17
Frmula 5 Distribucin Log Normal 3 parmetros 17
Frmula 6 Distribucin Gamma 2 parmetros . 18
Frmula 7 Distribucin Gamma 3 parmetros . 18
Frmula 8 Distribucin Log Pearson tipo III . 19
Frmula 9 Distribucin Gumbel . 19
Frmula 10 Distribucin Gumbel . 20
Frmula 11 Distribucin Log Gumbel . 20
Frmula 12 Pruebas de bondad de ajuste .. 21
Frmula 13 Prueba Kolmogorov Smirnov 22
Frmula 14 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia . 24
Frmula 15 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia . 26
Frmula 16 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia . 27
Frmula 17 Curvas Intensidad Duracin Frecuencia . 28
Frmula 18 Tiempo de Concentracin . 28
Frmula 19 Mtodo SCS para abstracciones . 33
Frmula 20 Mtodo SCS para abstracciones . 33
Frmula 21 Mtodo SCS para abstracciones . 34
Frmula 22 Mtodo SCS para abstracciones . 35
Frmula 23 Mtodo SCS para abstracciones . 35
Frmula 24 Estimacin de Caudales - Mtodo IILA 37
Frmula 25 Estimacin de Caudales - Mtodo IILA 38
Frmula 26 Estimacin de Caudales - Mtodo IILA 38
Frmula 27 Estimacin de Caudales - Mtodo IILA 38
Frmula 28 Estimacin de Caudales - Mtodo Racional 39
Frmula 29 Mtodo Racional Modificado . 40
Frmula 30 Mtodo Racional Modificado . 40
Frmula 31 Mtodo Racional Modificado . 40
Frmula 32 Mtodo Racional Modificado . 40
8
Frmula 33 Mtodo Racional Modificado . 41
Frmula 34 Mtodo Racional Modificado . 41
Frmula 35 Mtodo Racional Modificado . 41
Frmula 36 Hidrograma Unitario 42
Frmula 37 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS . 44
Frmula 38 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS 44
Frmula 39 Hidrograma Sinttico Triangular del SCS 45
Frmula 40 Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder .. 46
Frmula 41 Mtodo Hidrograma Unitario Sinttico de Snyder .. 46
Frmula 42 Sistema de Modelamiento Hidrolgico (HMS-Hydrologic
Modeling System) 47
Frmula 43 Otras Metodologas . .. 52
Frmula 44 Otras Metodologas . .. 52
Frmula 45 Otras Metodologas . .. 53
Frmula 46 Otras Metodologas . .. 53
Frmula 47 Diseo hidrulico .. 62
Frmula 48 Consideraciones para el diseo - Material slido de arrastre 66 Frmula 49 Consideraciones para el diseo Socavacin local a la Salida de la alcantarilla .. 68
Frmula 50 Diseo Hidrulico de Badn . 73
Frmula 51 Diseo Hidrulico de Badn . 74
Frmula 52 Muestreo y caracterizacin del material del lecho 79
Frmula 53 Coeficiente de rugosidad de cauces naturales
(n de Manning) . 82
Frmula 54 Coeficiente de rugosidad de cauces naturales
(n de Manning) . 84
Frmula 55 Coeficiente de rugosidad de cauces naturales
(n de Manning) . 85
Frmula 56 Clculo de niveles de agua de un puente 88
Frmula 57 Mtodo de velocidad crtica y agua clara ... 92
Frmula 58 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos granulares . 93
Frmula 59 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos granulares . 95
Frmula 60 Mtodo de Lischtvan Levediev para suelos cohesivos . 95
Frmula 61 Mtodo de Straub . 96
9
Frmula 62 Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil 96
Frmula 63 Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil 98
Frmula 64 Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara 99
Frmula 65 Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara 99
Frmula 66 Caso del flujo de agua paralelo al eje mayor del pilar 103
Frmula 67 Caso del flujo de agua con ngulo de ataque al eje de mayor
dimensin del pilar . 105
Frmula 68 Mtodo de Neill (1964) .. 106
Frmula 69 Mtodo de Larras (1963) 107
Frmula 70 Mtodo de Arunachalam (1965, 1967) . 110
Frmula 71 Mtodo de Carsten (1966) . 110
Frmula 72 Mtodo de Maza - Snchez (1968) 111
Frmula 73 Mtodo de Maza - Snchez (1968) 111
Frmula 74 Mtodo de Maza - Snchez (1968) 112
Frmula 75 Mtodo de Maza - Snchez (1968) 112
Frmula 76 Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977) . 116
Frmula 77 Mtodo de Breusers, Nicollet y Shen (1977) . 116
Frmula 78 Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 117
Frmula 79 Mtodo de Melville y Sutherland (1988) 120
Frmula 80 Mtodo de Froehlich (1991) .. 121 Frmula 81 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 123
Frmula 82 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 125
Frmula 83 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 125
Frmula 84 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 125
Frmula 85 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 125
Frmula 86 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 126
Frmula 87 Mtodo de Liu, Chang y Skinner .. 131
Frmula 88 Mtodo de Artamonov . 132
Frmula 89 Mtodo de Artamonov . 133
Frmula 90 Socavacin en lecho mvil . 134
Frmula 91 Socavacin en agua clara . 135
Frmula 92 Socavacin en agua clara y lecho mvil 136
Frmula 93 Socavacin en agua clara y lecho mvil 136
Frmula 94 Socavacin en agua clara y lecho mvil 137
10
Frmula 95 Socavacin en agua clara . 138
Frmula 96 Estribos Cortos . 139
Frmula 97 Estribos Largos .. 140
Frmula 98 Estribos Cortos (L< h) . 142
Frmula 99 Estribos Cortos (L< h) 142
Frmula 100 Estribos de longitud intermedia (h L 25h). 142
Frmula 101 Estribos Largos ( L > 25h).. 143
Frmula 102 Estribos Largos ( L > 25h).. 143
Frmula 103 Mtodo HIRE .. 143
Frmula 104 Enrocados Mtodo de Maynord .. 147
Frmula 105 Enrocados Mtodo del U.S. Department of Transportation . 148
Frmula 106 Enrocado para el Talud ... 150
Frmula 107 Enrocado para el Talud ... 150
Frmula 108 Enrocado para el Talud ... 150
Frmula 109 Enrocado para el Talud ... 150
Frmula 110 Enrocado para el Talud ... 152
Frmula 111 Enrocado para pie de Talud ... 152
Frmula 112 Enrocado para pie de Talud ... 152
Frmula 113 Enrocado para pie de Talud ... 152
Frmula 114 Enrocado para pie de Talud ... 152
Frmula 115 Proteccin de Pilares Mtodo de Maza Alvarez (1989).. 155
Frmula 116 Proteccin de Pilares Mtodo propuesto en HEC 18 (1993). 155
Frmula 117 Capacidad de Cunetas .. 160
Frmula 118 Cunetas Caudal de aporte .. 163
Frmula 119 Subdrenaje Caudal por Abatimiento del nivel fretico . 176
Frmula 120 Determinacin de las dimensiones de la Seccin Transversal . 181
Frmula 121 Determinacin de las dimensiones de la Seccin Transversal . 181
Frmula 122 Tasa de flujo. .. 183
11
CAPTULO I INTRODUCCIN
12
I. INTRODUCCIN
El Reglamento Nacional de Gestin de Infraestructura Vial aprobado
mediante Decreto Supremo N 034 2008 MTC dispone entre otros
la implementacin del Manual de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje, el
cual es un documento que resume lo ms sustancial de la materia,
que servir de gua y procedimiento para el diseo de las obras de
drenaje superficial y subterrnea de la infraestructura vial, adecuados
al lugar de ubicacin de cada proyecto.
La DGCF mediante Memorndum N 3599-2008-MTC/14 a la
Direccin de Estudios Especiales encarga la elaboracin del Manual
de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje el cual pasar por un proceso de
revisin y complementacin permanente a travs de su difusin va
Internet u otro medio que permita obtener los aportes necesarios por
parte de entidades, profesionales y/o empresas dedicadas a la
especialidad, a fin de optimizar su contenido.
Las definiciones de los trminos utilizados en el presente Manual se
describen en la parte final de este documento, asimismo los trminos
que no se incluyan en l, se encuentran contenidos en el Glosario
de trminos de uso frecuente en proyectos de infraestructura vial
aprobado por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones.
Las caractersticas geogrficas, hidrolgicas, geolgicas y
geotcnicas de nuestro pas dan lugar a la existencia de problemas
complejos en materia de drenaje superficial y subterrneo aplicado a
carreteras; debido al carcter muy aleatorio de las mltiples variables
(hidrolgico-hidrulico, geolgico-geotcnico) de anlisis que entran
en juego, aspectos hidrulicos que an no estn totalmente
investigados en nuestro pas; el planteamiento de las soluciones
respectivas, obviamente estarn afectados por niveles de
incertidumbres y riesgos inherentes a cada proyecto. Por lo tanto y
dado el carcter general y orientativo del presente Manual, para el
13
tratamiento de los problemas sealados se deber aplicar los
adecuados criterios profesionales.
Hidrologa es la ciencia geogrfica que se dedica al estudio de la distribucin, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente
en la atmsfera y en la corteza terrestre. Esto incluye las
precipitaciones, la escorrenta, la humedad del suelo, la
evapotranspiracin y el equilibrio de las masas glaciares.
Los estudios hidrolgicos son fundamentales para:
El diseo de obras hidrulicas, para efectuar estos estudios se
utilizan frecuentemente modelos matemticos que representan el
comportamiento de toda la cuenca en estudio.
El correcto conocimiento del comportamiento hidrolgico de un ro,
arroyo, o de un lago es fundamental para poder establecer las reas
vulnerables a los eventos hidrometeorolgicos extremos; as como
para prever un correcto diseo de obras de infraestructura vial.
Su aplicacin dentro del Manual esta dada en la determinacin de los
caudales de diseo para diferentes obras de drenaje.
Hidrulica es una rama de la fsica y la ingeniera que se encarga del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto
depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y
empuje de la misma.
Su aplicacin dentro del Manual esta dada en la determinacin de las
secciones hidrulicas de las obras de drenaje.
Todo esto y muchas aplicaciones ms hacen que el Especialista en
Hidrologa sea un personaje importante en todo equipo
14
multidisciplinario que enfrenta problemas de ingeniera civil en
general y problemas de carcter ambiental.
15
CAPTULO II OBJETIVOS
16
II. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVOS:
El Manual persigue alcanzar los siguientes objetivos:
2.1.1 OBJETIVO GENERAL Tener un documento tcnico que sirva de gua conceptual y
metodolgica para la determinacin de los parmetros hidrolgicos e
hidrulicos de diseo, de obras de infraestructura vial.
2.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
a. Ofrecer al proyectista de diseo en infraestructura vial (Ingeniero o
profesional a fin), de una herramienta prctica para el desarrollo de
estudios de hidrologa e hidrulica, con criterios ingenieriles,
metodologas y recomendaciones que ayuden a proyectar
adecuadamente los elementos de drenaje de una carretera.
b. Permitir al proyectista obtener consistentemente la estimacin de la
magnitud del caudal de diseo, disear obras de drenaje que
permitan controlar y eliminar el exceso de agua superficial y
subterrnea que discurren sobre la calzada y debajo de ella, a fin de
que no puedan comprometer la estabilidad de la estructura del
pavimento, de acuerdo a las exigencias hidrolgicas y
geomorfolgicas del rea de estudio, sin afectar el drenaje natural de
la zona, ni a la propiedad adyacente.
c. Uniformizar criterios de diseo de las obras de drenaje vial.
2.2 ANTECEDENTES:
El Manual presenta recomendaciones de diseo generales para la
elaboracin de estudios de hidrologa, hidrulica y drenaje, cuyas
17
metodologas previamente a su aplicacin deben ser validadas a las
condiciones particulares de cada proyecto vial.
El presente Manual de Hidrologa, Hidrulica y Drenaje; prima y
complementa, los criterios de diseo establecidos en los captulos de
Hidrologa y Drenaje del Manual de Caminos Pavimentados y no
Pavimentados de Bajo Volumen de Transito, Manual de Diseo
Geomtrico-2001 y el Manual de Puentes.
18
CAPTULO III HIDROLOGA
19
III. HIDROLOGA
3.1 Alcances Este captulo trata temas relacionados a las metodologas que
permiten estimar los caudales de diseo de las obras que constituyen
el sistema de drenaje proyectado de la carretera (drenaje superficial
y subterrneo).
Partiendo del anlisis de la informacin hidrolgica y meteorolgica
disponible en el rea de estudio, se presentan criterios de diseo y
lmites de aplicacin de los mtodos considerados, a fin de que el
especialista seleccione la alternativa ms apropiada para cada caso
en particular.
La informacin hidrolgica y meteorolgica a utilizar en el estudio
deber ser proporcionada por el Servicio Nacional de Meteorologa e
hidrologa (SENAMHI), entidad que es el ente rector de las
actividades hidrometeorolgicas en el pas. En lugares en que no se
cuenta con la informacin del SENAMHI, y de ser el caso se
recabar informacin de entidades encargadas de la administracin
de los recursos hdricos del lugar, previa verificacin de la calidad de
la informacin.
El registro y estudio de las mximas avenidas anuales permite
determinar, bajo cierto supuestos, la probabilidad de ocurrencia de
avenidas de una cierta magnitud.
Se debe tener en cuenta que, las avenidas son fenmenos
originados por el carcter aleatorio de las descargas de los ros. La
ocurrencia de crecidas de los ros se describe en trminos
probabilsticas. Es decir, que cada avenida va asociada una
probabilidad de ocurrencia.
20
Es importante sealar que los mtodos y procedimientos que se
describen en el presente captulo abarcan nicamente la
determinacin de caudales lquidos provenientes de precipitaciones
pluviales y no incluye la determinacin de caudales provenientes de
deshielos, inundaciones causadas por desborde de ros y colapso de
presas de irrigacin. Asimismo, no incluye la estimacin de caudales
slidos que puedan transportar los cursos naturales. Sin embargo,
si el funcionamiento o vida til de la obra de drenaje proyectada est
supeditada al comportamiento de estos factores, el Proyectista
deber tomarlos en cuenta al efectuar los diseos de las obras de
drenaje.
3.2 Factores Hidrolgicos y Geolgicos que inciden en el Diseo Hidrulico de las Obras de Drenaje El presente tem describe los factores que influyen en la obtencin de
diseos adecuados que garanticen el buen funcionamiento del
sistema de drenaje proyectado, acorde a las exigencias hidrolgicas
de la zona de estudio.
El primer factor a considerar se refiere al tamao de la cuenca como
factor hidrolgico, donde el caudal aportado estar en funcin a las
condiciones climticas, fisiogrficas, topogrficas, tipo de cobertura
vegetal, tipo de manejo de suelo y capacidad de almacenamiento.
Los factores geolgicos e hidrogeolgicos que influyen en el diseo
se refieren a la presencia de aguas subterrneas, naturaleza y
condiciones de las rocas permeables y de los suelos: su
homogeneidad, estratificacin, conductividad hidrulica,
compresibilidad, etc y tambin a la presencia de zonas proclives de
ser afectadas por fenmenos de geodinmica externa de origen
hdrico.
3.3 Estudios de Campo
21
Los estudios de campo deben efectuarse con el propsito de
identificar, obtener y evaluar la informacin referida: al estado actual
de las obras de drenaje existentes, condiciones topogrficas e
hidrolgicas del rea de su emplazamiento. Asimismo el estudio de
reconocimiento de campo permite identificar y evaluar los sectores
crticos actuales y potenciales, de origen hdrico como
deslizamientos, derrumbes, erosiones, huaycos, reas inundables,
asentamientos, etc. que inciden negativamente en la conservacin y
permanencia de la estructura vial (carreteras y/o puentes).
Se debe evaluar las condiciones de las estaciones pluviomtricas e
hidromtricas, as como la consistencia de los datos registrados.
Por otro lado, el estudio de reconocimiento de campo permite
localizar y hacer el estudio correspondiente de todas las cuencas y/o
microcuencas hidrogrficas, cuyos cursos naturales de drenaje
principal interceptan el eje vial en estudio.
Para la elaboracin de un estudio o informe de Hidrologa, la
actividad de estudio de campo a lo largo del proyecto vial, es de
carcter obligatorio, por parte del o los especialista (s) a cargo de los
estudios hidrolgicos e hidrulicos.
3.4 Evaluacin de la Informacin Hidrolgica
Dado que el pas tiene limitaciones en la disponibilidad de datos ya
sea hidromtricos como pluviomtricos y la mayor parte de las
cuencas hidrogrficas no se encuentran instrumentadas,
generalmente se utilizan mtodos indirectos para la estimacin del
caudal de diseo.
De acuerdo a la informacin disponible se elegir el mtodo ms
adecuado para obtener estimaciones de la magnitud del caudal, el
cual ser verificado con las observaciones directas realizadas en el
22
punto de inters, tales como medidas de marcas de agua de crecidas
importantes y anlisis del comportamiento de obras existentes.
La representatividad, calidad, extensin y consistencia de los datos
es primordial para el inicio del estudio hidrolgico, por ello, se
recomienda contar con un mnimo de 25 aos de registro que permita
a partir de esta informacin histrica la prediccin de eventos futuros
con el objetivo que los resultados sean confiables, asimismo dicha
informacin deber incluir los aos en que se han registrado los
eventos del fenmeno El Nio, sin embargo dado que durante el
evento del fenmeno del nio la informacin no es medida ya que
normalmente se estiman valores extraordinarios, esta informacin
debe ser evaluada de tal manera que no se originen
sobredimensionamientos en las obras.
Indiscutiblemente, la informacin hidrolgica y/o hidrometeorolgica
bsica para la realizacin del estudio correspondiente, deber ser
representativa del rea en dnde se emplaza el proyecto vial.
3.5 rea del Proyecto - Estudio de la(s) Cuenca(s) Hidrogrfica(s)
El estudio de cuencas est orientado a determinar sus caractersticas
hdricas y geomorfolgicas respecto a su aporte y el comportamiento
hidrolgico. El mayor conocimiento de la dinmica de las cuencas
permitir tomar mejores decisiones respecto al establecimiento de las
obras viales.
Es importante determinar las caractersticas fsicas de las cuencas
como son: el rea, forma de la cuenca, sistemas de drenaje,
caractersticas del relieve, suelos, etc. Estas caractersticas
dependen de la morfologa (forma, relieve, red de drenaje, etc.), los
tipos de suelos, la cobertura vegetal, la geologa, las prcticas
agrcolas, etc. Estos elementos fsicos proporcionan la ms
conveniente posibilidad de conocer la variacin en el espacio de los
23
elementos del rgimen hidrolgico. El estudio de cuencas
hidrogrficas deber efectuarse en planos que cuenta el IGN en
escala 1:100,000 y preferentemente a una escala de 1/25,000, con
tal de obtener resultados esperados. 3.6 Seleccin del Perodo de Retorno
El tiempo promedio, en aos, en que el valor del caudal pico de una
creciente determinada es igualado o superado una vez cada T
aos, se le denomina Perodo de Retorno T. Si se supone que los
eventos anuales son independientes, es posible calcular la
probabilidad de falla para una vida til de n aos.
Para adoptar el perodo de retorno a utilizar en el diseo de una obra,
es necesario considerar la relacin existente entre la probabilidad de
excedencia de un evento, la vida til de la estructura y el riesgo de
falla admisible, dependiendo este ltimo, de factores econmicos,
sociales, tcnicos y otros.
El criterio de riesgo es la fijacin, a priori, del riesgo que se desea
asumir por el caso de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo
de vida til, lo cual implica que no ocurra un evento de magnitud
superior a la utilizada en el diseo durante el primer ao, durante el
segundo, y as sucesivamente para cada uno de los aos de vida de
la obra.
El riesgo de falla admisible en funcin del perodo de retorno y vida
til de la obra est dado por:
R = 1- (1-1/T)n (1)
Si la obra tiene una vida til de n aos, la frmula anterior permite
calcular el perodo de retorno T, fijando el riesgo de falla admisible R,
24
el cual es la probabilidad de ocurrencia del pico de la creciente
estudiada, durante la vida til de la obra. (Ver Figura N 01)
Figura N 01. Riesgo de por lo menos una excedencia del evento de diseo durante la vida til
(Fuente: Hidrologa Aplicada (Ven te Chow)).
En la Tabla N 01 se presenta el valor T para varios riesgos
permisibles R y para la vida til n de la obra.
TABLA N 01: Valores de Perodo de Retorno T (Aos)
RIESGO ADMISIBLE VIDA TIL DE LAS OBRAS (n aos)
R 1 2 3 5 10 20 25 50 100 200
0,01 100 199 299 498 995 1990 2488 4975 9950 19900
0,02 50 99 149 248 495 990 1238 2475 4950 9900
0,05 20 39 59 98 195 390 488 975 1950 3900
0,10 10 19 29 48 95 190 238 475 950 1899
0,20 5 10 14 23 45 90 113 225 449 897
0,25 4 7 11 18 35 70 87 174 348 695
0,50 2 3 5 8 15 29 37 73 154 289
0,75 1,3 2 2,7 4,1 7,7 15 18 37 73 144
25
RIESGO ADMISIBLE VIDA TIL DE LAS OBRAS (n aos)
R 1 2 3 5 10 20 25 50 100 200
0,99 1 1,11 1,27 1,66 2,7 5 5,9 11 22 44
Fuente: MONSALVE, 1999.
De acuerdo a los valores presentados en la Tabla N 01 se recomienda utilizar como mximo, los siguientes valores de riesgo admisible de obras de drenaje:
TABLA N 02: VALORES MAXIMOS RECOMENDADOS
DE RIESGO ADMISIBLE DE OBRAS DE DRENAJE
TIPO DE OBRA RIESGO ADMISIBLE (**) ( %)
Puentes (*) 25
Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes 30
Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas 35
Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal) 40
Subdrenes 40
Defensas Ribereas 25
(*) - Para obtencin de la luz y nivel de aguas mximas extraordinarias.
- Se recomienda un perodo de retorno T de 500 aos para el clculo de socavacin.
(**) - Vida til considerado (n)
Puentes y Defensas Ribereas n= 40 aos. Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 aos. Alcantarillas de quebradas menores n= 15 aos. Drenaje de plataforma y Sub-drenes n= 15 aos.
- Se tendr en cuenta, la importancia y la vida til de la obra a disearse. - El Propietario de una Obra es el que define el riesgo admisible de falla y la vida til de las obras.
3.7 ANALISIS ESTADISTICO DE DATOS HIDROLOGICOS
3.7.1 Modelos de distribucin
El anlisis de frecuencias tiene la finalidad de estimar
precipitaciones, intensidades o caudales mximos, segn sea el
caso, para diferentes perodos de retorno, mediante la aplicacin de
modelos probabilsticos, los cuales pueden ser discretos o continuos.
En la estadstica existen diversas funciones de distribucin de
probabilidad tericas; recomendndose utilizar las siguientes
funciones:
26
i. Distribucin Normal
ii. Distribucin Log Normal 2 parmetros
iii. Distribucin Log Normal 3 parmetros
iv. Distribucin Gamma 2 parmetros
v. Distribucin Gamma 3 parmetros
vi. Distribucin Log Pearson tipo III
vii. Distribucin Gumbel
viii. Distribucin Log Gumbel
3.7.1.1 Distribucin Normal
La funcin de densidad de probabilidad normal se define como:
( )( )
2
21
21
= Sx
eS
xf
(2)
Donde
( ) =xf funcin densidad normal de la variable x X = variable independiente = parmetro de localizacin, igual a la media aritmtica de x.
S = parmetro de escala, igual