Memoria Hidrologia e Hidraulica - Alto Huamuco

CUENCA :

QDA ALTO HUAMUCO

DISTRITO :

CHOLON PROVINCIA :

MARAON REGIN :

HUNUCO PROPIETARIO :

GOBIERNO REGIONAL DE HUNUCO

GOBIERNO REGIONAL

DE HUNUCO

HUANUCO - 2014

ESTUDIO DE HIDROLOGA E

HIDRULICA

Estudio a Nivel de Perfil del Proyecto Ampliacin Y Mejoramiento Del Servicio De Agua Potable Y Disposicin Sanitaria De Excretas En Los Casero De Molope E Instalacin Del Servicio De Agua Potable Y

Disposicin Sanitaria De Excretas En El Casero Alto Huamuco Del Centro Poblado La Morada, Distrito Cholon, Provincia Maran, Regin Hunuco

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ESTUDIO HIDROLGICO

Contenido

INTRODUCCIN ............................................................................................................ 3 ........................................................................................................................ 4

1. GENERALIDADES .......................................................................................... 5 1.1. Ubicacin Del Proyecto................................................................................................ 5

1.2. Descripcin Del Proyecto............................................................................................. 6

1.3. Objetivos ...................................................................................................................... 7

1.4. Evaluacin Hidrulica y Planteamiento de Soluciones ................................................ 7

1.5. Metodologa ................................................................................................................. 8

1.6. Alcance ........................................................................................................................ 9

1.7. Marco Terico .............................................................................................................. 9

..................................................................................................................... 42

2. HIDROLOGA .................................................................................................. 43 2.1. Cuencas Hidrogrficas .............................................................................................. 43

2.2. Estudio de Hidrologa ................................................................................................ 43

2.3. Cartografa ................................................................................................................. 43

2.4. Pluviometra ............................................................................................................... 44

2.5. Periodo De Diseo Para Obras De Drenaje .............................................................. 46

2.6. Hidrologa Estadstica ................................................................................................ 46

2.7. Cuencas Hidrogrficas .............................................................................................. 51

2.8. Caudal De Diseo ...................................................................................................... 51

2.9. Diseo Hidrulico De Estructuras De Drenaje ........................................................... 52

2.10. Caudal Mnimo ........................................................................................................... 53

2.11. Conclusiones ............................................................................................................. 55

............................................................................................................................. 56



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ESTUDIO HIDROLGICO

INTRODUCCIN

El principal objetivo del estudio es la obtencin de las secciones de obras de drenaje a partir

del caudal de diseo obtenido del estudio hidrolgico y de las propiedades de los materiales a

emplear en el proyecto (puente y defensa riberea).

El caudal de diseo se obtendr a partir de las caractersticas geomorfolgicas del rea en

anlisis, periodo de vida de la estructura y entre otros parmetros que aseguraran el diseo

ptimo de las estructuras que constituyen el sistema de drenaje de la pavimentacin.

Bajo este marco se emplearan los procedimientos y recomendaciones del manual de

hidrologa, Hidrulica y Drenaje del MTC.

El estudio de hidrologa se realizara zonificando cada micro cuencas por cada estructura a

plantear y dependiendo del periodo de diseo a asumido se obtendr un caudal de diseo para

dicha estructura, cada micro cuenca cuenta con caractersticas geomorfolgicas diferentes

pero la misma condiciones meteorolgicas.

La informacin hidrolgica y meteorolgica a utilizar en el estudio fueron proporcionados por el

Servicio Nacional de Meteorologa e Hidrologa (SENAMHI).



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ESTUDIO HIDROLGICO

GENERALIDADES



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ESTUDIO HIDROLGICO

1. GENERALIDADES

1.1. Ubicacin Del Proyecto

El rea de estudio est ubicado en

CUENCA : QDA ALTO HUAMUCO DISTRITO : CHOLON PROVINCIA : MARAON REGIN : HUNUCO

IMAGEN DE GOOGLE EARTH



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ESTUDIO HIDROLGICO

1.2. Descripcin Del Proyecto

La PNSR como parte de su programacin de mejorar la calidad de vida de los

habitantes de la localidad, ha previsto la elaboracin del perfil tcnico AMPLIACIN Y

MEJORAMIENTO DEL SERVICIO DE AGUA POTABLE Y DISPOSICIN

SANITARIA DE EXCRETAS EN LOS CASERO DE MOLOPE E INSTALACIN DEL

SERVICIO DE AGUA POTABLE Y DISPOSICIN SANITARIA DE EXCRETAS EN EL

CASERO ALTO HUAMUCO DEL CENTRO POBLADO LA MORADA, DISTRITO

CHOLON, PROVINCIA MARAN, REGIN HUNUCO.

Parte de este estudio consiste en evaluar el comportamiento del rio en el punto de

estudio, como resultado de la evaluacin se obtendr los caudales normales y

mximos y mnimos profundidad de socavacin para un determinado periodo de

diseo.

La cuenca en anlisis cuenta con irregularidades, topografa agreste y poca presencia

de vegetacin. Es de especial importancia indicar la pluviosidad que en aos normales,

puede hallarse en la cuenca. Sin embargo, debe considerarse adems la ocurrencia

del Fenmeno El Nio, el cual, al crear condiciones ambientales totalmente distintas,

produce situaciones anmalas de precipitacin en algunas zonas del territorio, no

siempre previsibles, siendo recomendable adoptar criterios algo conservadores en la

evaluacin hidrolgica de las obras de reconstruirse o mantenerse.



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ESTUDIO HIDROLGICO

1.3. Objetivos

Proyectar obras proteccin, encausamiento y uso.

La determinacin del rgimen climatolgico en el rea objeto del proyecto.

Variacin de la Precipitacin.

Caudales de las avenidas en los tramos de inters del proyecto.

Caudales en pocas de estiaje

Hidrgrafa de Avenidas para los perodos de retorno requeridos en la zona de

estudio.

Trnsito de la avenida en cauces.

1.4. Evaluacin Hidrulica y Planteamiento de Soluciones

A lo largo del cauce del rio se determin que el rio presenta meandros menores, el

punto donde se planteara la estructura es un punto ptimo de seccin continua, buen

suelo de fundacin y por encima de cualquier cultivo, para evitar contaminacin de la

fuente.

As mismo se observa que el rio en pocas de avenidas un incremento del tirante en el

cauce, lo cual involucra la creacin de estructuras de encausamiento.



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ESTUDIO HIDROLGICO

1.5. Metodologa

Con el fin de reunir los criterios adecuados que permitan conocer las caractersticas

hidrolgicas de la zona en anlisis, el estudio se realiz en tres etapas, Pre campo,

campo y gabinete.

Pre-campo.- Bsicamente se recopilo de informacin de estudios hechos aos

anteriores en obras similares, as mismo, se observ que informacin es de poca

confiabilidad debido a que las obas existentes poseen problemas. Por ello, se

planteara un diseo bastante conservador a la hora de diseo.

Trabajos de Campo.- En el trabajo de campo de recolecto informacin del drenaje

existente as como del sentido del flujo y delimitacin del rea de influencia.

Fase de Gabinete.- Consiste en el anlisis hidrolgico, hidrulico y socavacin que

comprende aspectos tales como rgimen pluvial de la zona, caractersticas fsicas de

las cuencas, tipo material que conforma el fondo del rio, determinacin de los

parmetros hidrolgicos y dimensionamiento de las obras de drenaje.

De la revisin de los antecedentes y estudios de reconocimiento de campo, se obtiene

la informacin sobre el rgimen hdrico de la zona de estudio. Se estima las

magnitudes de los eventos hidrolgicos mximos, segn informacin hidrolgica

disponible y datos de campo a travs de huellas dejadas por las avenidas anteriores e

informacin de lugareos.

Este estudio se detalla en el siguiente informe, as como los clculos realizados.



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ESTUDIO HIDROLGICO

1.6. Alcance

Dimensionar el ancho y altura de los muros de encausamiento.

Calcular los tirantes crticos en el rio.

Determinar el caudal en estiaje

1.7. Marco Terico

HIDROLOGA 1) 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.

2) Estudios de Campo 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.



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ESTUDIO HIDROLGICO

Por otro lado, el estudio de reconocimiento de campo permite localizar y hacer el estudio

correspondiente de todas las cuencas y/o micro cuencas 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) Evaluacin de la Informacin Hidrolgica Dado que el pas tiene limitaciones en la disponibilidad de datos ya sea hidromtrico

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 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.

4) 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



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ESTUDIO HIDROLGICO

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 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.

5) 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:

1 1 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, el cual es la probabilidad de ocurrencia

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



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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)

R VIDA TIL DE LAS OBRAS (n aos)

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 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:



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TABLA N 02: VALORES RECOMENDADOS

DE RIESGO ADMISIBLE DE OBRAS DE DRENAJE TIPO DE OBRA RIESGO ADMISIBLE (**)

( %) Puentes (*) 22 Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes

39

Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas

64

Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal) 64 Subdrenes 72 Defensas Ribereas 22

(*) - 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=25 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.

6) Anlisis Estadstico de Datos Hidrolgicos 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.

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.

a) Distribucin Normal

b) Distribucin Log Normal 2 parmetros

c) Distribucin Log Normal 3 parmetros

d) Distribucin Gamma 2 parmetros

e) Distribucin Gamma 3 parmetros

f) Distribucin Log Pearson tipo III

g) Distribucin Gumbel

h) Distribucin Log Gumbel



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ESTUDIO HIDROLGICO

a) Distribucin Normal

La funcin de densidad de probabilidad normal se define como:

Donde

b) Distribucin Log Normal 2 Parmetros

La funcin de distribucin de probabilidad es:

Donde X y S son los parmetros de la distribucin.

Si la variable x de la ecuacin (2) se remplaza por una funcin y=f(x), tal

que y=log(x), la funcin puede normalizarse, transformndose en una ley de

probabilidades denominada log normal, N(Y, Sy). Los valores originales

de la variable aleatoria x, deben ser transformados a y = log x, de tal

manera que:

Donde Y es la media de los datos de la muestra transformada.



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ESTUDIO HIDROLGICO

Donde Sy es la desviacin estndar de los datos de la muestra

transformada.

Asimismo; se tiene las siguientes relaciones:

Donde Cs es el coeficiente de oblicuidad de los datos de la muestra

transformada. (Monsalve, 1999).

c) Distribucin Log Normal 3 Parmetros

La funcin de densidad de x es:

Para x > x0

Donde:

X0: parmetro de posicin

Uy: parmetro de escala o media

Sy: parmetro de forma o varianza

d) Distribucin Gamma 2 Parmetros

La funcin de densidad es:

Vlido para:

0 x <

0 < <

0 < <



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ESTUDIO HIDROLGICO

Donde:

: parmetro de forma

: parmetro de escala

e) Distribucin Gamma 3 Parmetros


Vlido para:

x0 x <

- < x0 <

0 < <

0 < <

Donde:

x0: origen de la variable x, parmetro de posicin

: parmetro de forma

: parmetro de escala

f) Distribucin Log Pearson Tipo III


Vlido para: x0 x <

- < x0 <

0 < < 0 < <

Donde: x0: parmetro de posicin : parmetro de forma : parmetro de escala



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g) Distribucin Gumbel

La distribucin de Valores Tipo I conocida como Distribucin Gumbel o

Doble Exponencial, tiene como funcin de distribucin de probabilidades la

siguiente expresin:

Utilizando el mtodo de momentos, se obtienen las siguientes relaciones:

Donde:

: Parmetro de concentracin.

: Parmetro de localizacin.

Segn Ven Te Chow, la distribucin puede expresarse de la siguiente

forma:

Donde:

x : Valor con una probabilidad dada.

x : Media de la serie.

k : Factor de frecuencia.

h) Distribucin Log Gumbel

La variable aleatoria reducida log Gumbel, se define como:

Con lo cual, la funcin acumulada reducida log Gumbel es:



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ESTUDIO HIDROLGICO

Pruebas de bondad de ajuste

Las pruebas de bondad de ajuste son pruebas de hiptesis que se usan para

evaluar si un conjunto de datos es una muestra independiente de la distribucin

elegida.

En la teora estadstica, las pruebas de bondad de ajuste ms conocidas son la 2 y la Kolmogorov Smirnov, las cuales se describen a continuacin.

a) Prueba 2

Esta prueba fue propuesta por Karl Pearson en 1900, se aplica para verificar bondad de las distribuciones normales y log normales. Para aplicar la prueba, el primer paso es dividir los datos en un nmero k de intervalos de clase. Luego se calcula el parmetro estadstico:

Donde:

i: es el nmero observado de eventos en el intervalo i y i es el nmero

esperado de eventos en el mismo intervalo.

i se calcula como:

Asimismo; F(Si) es la funcin de distribucin de probabilidad en el lmite

superior del intervalo i, F(Ii) es la misma funcin en el lmite inferior y n es

el nmero de eventos.

Una vez calculado el parmetro D para cada funcin de distribucin

considerada, se determina el valor de una variable aleatoria con distribucin

2 para = k-1-m grados de libertad y un nivel de significancia , donde m

es el nmero de parmetros estimados a partir de los datos.

Para aceptar una funcin de distribucin dada, se debe cumplir:



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ESTUDIO HIDROLGICO

El valor de se obtiene de tablas de la funcin de distribucin

2.

Cabe recalcar que la prueba del X2, desde un punto de vista matemtico

solo debera usarse para comprobar la normalidad de las funciones normal

y Log normal.

b) Prueba Kolmogorov Smirnov

Mtodo por el cual se comprueba la bondad de ajuste de las distribuciones,

asimismo permite elegir la ms representativa, es decir la de mejor ajuste.

Esta prueba consiste en comparar el mximo valor absoluto de la diferencia

D entre la funcin de distribucin de probabilidad observada Fo (xm) y la

estimada F (xm):

/ /Con un valor crtico d que depende del nmero de datos y el nivel de

significancia seleccionado (Tabla N 03). Si D



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ESTUDIO HIDROLGICO

7) Determinacin de la Tormenta de Diseo

Uno de los primeros pasos en muchos proyectos de diseo es la determinacin del

evento de lluvia a usar.

Una tormenta de diseo es un patrn de precipitacin definido para utilizarse en el

diseo de un sistema hidrolgico. Usualmente la tormenta de diseo conforma la entrada

al sistema, y los caudales resultantes a travs de ste se calculan utilizando

procedimientos de lluvia-escorrenta y trnsito de caudales. Una tormenta de diseo

puede definirse mediante un valor de profundidad de precipitacin en un punto, mediante

un hietograma de diseo que especifique la distribucin temporal de la precipitacin

durante una tormenta.

Las tormentas de diseo pueden basarse en informacin histrica de precipitacin de

una zona o pueden construirse utilizando las caractersticas generales de la precipitacin

en regiones adyacentes.

Su aplicacin va desde el uso de valores puntuales de precipitacin en el mtodo

racional para determinar los caudales picos en alcantarillados de aguas lluvias y

alcantarillas de carreteras, hasta el uso de hietogramas de tormenta como las entradas

para el anlisis de lluvia-escorrenta en embalses de detencin de aguas urbanas.

Para determinacin de la tormenta de diseo sera recomendable contar con informacin

obtenida a travs de un pluvigrafo, ya que este equipo provee informacin instantnea,

sin embargo, la mayora de estaciones de medicin de precipitaciones solo cuentan con

pluvimetros que solo proveen de valores medios.

Curvas Intensidad Duracin Frecuencia

La intensidad es la tasa temporal de precipitacin, es decir, la profundidad por unidad de

tiempo (mm/h). Puede ser la intensidad instantnea o la intensidad promedio sobre la

duracin de la lluvia.

Comnmente se utiliza la intensidad promedio, que puede expresarse como:

Donde P es la profundidad de lluvia (mm) y Td es la duracin, dada usualmente en

horas. La frecuencia se expresa en funcin del perodo de retorno, T, que es el intervalo



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ESTUDIO HIDROLGICO

de tiempo promedio entre eventos de precipitacin que igualan o exceden la magnitud

de diseo.

Las curvas intensidad duracin frecuencia son un elemento de diseo que relacionan

la intensidad de la lluvia, la duracin de la misma y la frecuencia con la que se puede

presentar, es decir su probabilidad de ocurrencia o el periodo de retorno.

Para determinar estas curvas IDF se necesita contar con registros pluviogrficos de

lluvia en el lugar de inters y seleccionar la lluvia ms intensa de diferentes duraciones

en cada ao, con el fin de realizar un estudio de frecuencia con cada una de las series

as formadas. Es decir, se deben examinar los hietogramas de cada una de las

tormentas ocurridas en un ao y de estos hietogramas elegir la lluvia correspondiente a

la hora ms lluviosa, a las dos horas ms lluviosas, a las tres horas y as sucesivamente.

Con los valores seleccionados se forman series anuales para cada una de las

duraciones elegidas. Estas series anuales estn formadas eligiendo, en cada ao del

registro, el mayor valor observado correspondiente a cada duracin, obtenindose un

valor para cada ao y cada duracin.

Cada serie se somete a un anlisis de frecuencia, asociando modelos probabilsticas

segn lo descrito en el tem 3.7. As se consigue una asignacin de probabilidad para la

intensidad de lluvia correspondiente a cada duracin, la cual se representa en un grfico

nico de intensidad vs. duracin, teniendo como parmetro el perodo de retorno, tal

como se muestra en el ejemplo (Ver Figura N 02).

Cabe indicar que formar las series anuales es un proceso largo y laborioso, que

involucra el examen cuidadoso de los rollos pluviogrficos, la lectura de los valores, la

digitacin de la informacin, la contrastacin y verificacin de los valores ledos con los

registros pluviomtricos cercanos y el anlisis de las tormentas registradas para

encontrar los mximos valores registrados para cada una de las duraciones

seleccionadas.



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ESTUDIO HIDROLGICO

Las curvas de intensidad duracin frecuencia tambin pueden expresarse como ecuaciones con el fin de evitar la lectura de la intensidad de lluvia de diseo en un una grfica. Un modelo general es el siguiente:

Donde I es la intensidad de lluvia de diseo, D es la duracin y a, b y m son coeficientes

que varan con el lugar y el perodo de retorno, asimismo para su determinacin se

requiere hacer una linealizacin previa de la ecuacin para luego hallar los parmetros a,

b y m por medio de regresin lineal.

La duracin de la lluvia de diseo es igual al tiempo de concentracin (tc) para el rea de

drenaje en consideracin, dado que la escorrenta alcanza su pico en el tiempo de

concentracin, cuando toda el rea est contribuyendo al flujo en la salida. En nuestro

pas, debido a la escasa cantidad de informacin pluviogrfica con que se cuenta,

difcilmente pueden elaborarse estas curvas. Ordinariamente solo se cuenta con lluvias

mximas en 24 horas, por lo que el valor de la Intensidad de la precipitacin pluvial

mxima generalmente se estima a partir de la precipitacin mxima en 24 horas,

multiplicada por un coeficiente de duracin; en la Tabla N 04 se muestran coeficientes

de duracin, entre 1 hora y 48 horas, los mismos que podrn usarse, con criterio y

cautela para el clculo de la intensidad, cuando no se disponga de mejor informacin.



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ESTUDIO HIDROLGICO

TABLA N 04: Coeficientes de duracin Lluvias entre 48 horas y una hora DURACIN DE LA

PRECIPITACIN EN HORAS

COEFICIENTE

1 0.25 2 0.31 3 0.38 4 0.44 5 0.50 6 0.56 8 0.64

10 0.73 12 0.79 14 0.83 16 0.87 18 0.90 20 0.93 22 0.97 24 1.00 48 1.32

Fuente: Manual para el Diseo de Carreteras Pavimentadas de Bajo Volumen de Trnsito

Se puede establecer como un procedimiento lo siguiente:

1. Seleccionar las lluvias mayores para diferentes tiempos de duracin.

2. Ordenar de mayor a menor.

3. Asignar a cada valor ordenado una probabilidad emprica.

4. Calcular el tiempo de retorno de cada valor.

5. Graficar la curva intensidad-frecuencia-duracin.

Para el caso de duraciones de tormenta menores a 1 hora, o no se cuente con registros

pluviogrficos que permitan obtener las intensidades mximas, estas pueden ser

calculadas mediante la metodologa de Dick Peschke (Guevara, 1991) que relaciona la

duracin de la tormenta con la precipitacin mxima en 24 horas. La expresin es la

siguiente:



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ESTUDIO HIDROLGICO

Donde:

Pd = precipitacin total (mm)

d = duracin en minutos

P24h = precipitacin mxima en 24 horas (mm)

La intensidad se halla dividiendo la precipitacin Pd entre la duracin.

Las curvas de intensidad-duracin-frecuencia, se han calculado indirectamente,

mediante la siguiente relacin:

Donde:

I = Intensidad mxima (mm/h)

K, m, n = factores caractersticos de la zona de estudio

T = perodo de retorno en aos

t = duracin de la precipitacin equivalente al tiempo de concentracin (min)

8) Tiempo de Concentracin Es el tiempo requerido por una gota para recorrer desde el punto hidrulicamente ms

lejano hasta la salida de la cuenca.

Transcurrido el tiempo de concentracin se considera que toda la cuenca contribuye a la

salida. Como existe una relacin inversa entre la duracin de una tormenta y su

intensidad (a mayor duracin disminuye la intensidad), entonces se asume que la

duracin crtica es igual al tiempo de concentracin tc. El tiempo de concentracin real

depende de muchos factores, entre otros de la geometra en planta de la cuenca (una

cuenca alargada tendr un mayor tiempo de concentracin), de su pendiente pues una

mayor pendiente produce flujos ms veloces y en menor tiempo de concentracin, el

rea, las caractersticas del suelo, cobertura vegetal, etc. Las frmulas ms comunes

solo incluyen la pendiente, la longitud del cauce mayor desde la divisoria y el rea.

El tiempo de concentracin en un sistema de drenaje pluvial es:



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ESTUDIO HIDROLGICO

tc to tf

Donde:

to: tiempo de entrada, hasta alguna alcantarilla.

tf: tiempo de flujo en los alcantarillados hasta el punto de inters =

Li / Vi.

Las ecuaciones para calcular el tiempo de concentracin se muestran en la Tabla N 05.

TABLA N 05:

Frmulas para el clculo del tiempo de concentracin MTODO Y

FECHA FRMULA PARA tc (minutos) OBSERVACIONES

Kirpich (1940)

L = longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida, m. S = pendiente promedio de la cuenca, m/m

Desarrollada a partir de informacin del SCS en siete cuencas rurales de Tennessee con canales bien definidos y pendientes empinadas (3 a 10%); para flujo superficial en superficies de concreto o asfalto se debe multiplicar tc por 0.4; para canales de concreto se debe multiplicar por 0.2; no se debe hacer ningn ajuste para flujo superficial en suelo descubierto o para flujo en cunetas.

California Culverts

Practice (1942)

L = longitud del curso de agua ms largo, m. H = diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y la salida, m.

Esencialmente es la ecuacin de Kirpich; desarrollada para pequeas cuencas montaosas en California.

Izzard (1946)

i = intensidad de lluvia, mm/h c = coeficiente de retardo L = longitud de la trayectoria de flujo, m. S = pendiente de la trayectoria de flujo, m/m.

Bureau of Public Roads para flujo superficial en caminos y reas de cspedes; los valores del coeficiente de retardo varan desde 0.0070 para pavimentos muy lisos hasta 0.012 para pavimentos de concreto y 0.06 para superficies densamente cubiertas de pasto; la solucin requiere de procesos iterativos; el producto de i por L debe ser 3800.

Federal Aviation Administration

(1970)

C = coeficiente de escorrenta del mtodo racional. L = longitud del flujo superficial, m. S = pendiente de la superficie, m/m

Desarrollada de informacin sobre el drenaje de aeropuertos recopilada por el Corps of Engineers: el mtodo tiene como finalidad el ser usado en problemas de drenaje de aeropuertos pero ha sido frecuentemente usado para flujo superficial en cuencas urbanas.

Ecuaciones de onda cinemtica

Morgali y Linsley (1965)

Aron y Erborge (1973)

L = longitud del flujo superficial, m. n = coeficiente de rugosidad de Manning. I = intensidad de lluvia, mm/h.

anlisis de onda cinemtica de la escorrenta superficial desde superficies desarrolladas; el mtodo requiere iteraciones debido a que tanto I (Intensidad de lluvia) como tc son desconocidos, la superposicin de una curva de intensidad duracin frecuencia da una solucin grfica directa para tc.



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ESTUDIO HIDROLGICO

S = pendiente promedio del terreno-m/m.

Ecuacin de retardo SCS

(1973)

L = longitud hidrulica de la cuenca (mayor trayectoria de flujo), m. CN = Nmero de curva SCS S = pendiente promedio de la cuenca, m/m.

Ecuacin desarrollada por el SCS a partir de informacin de cuencas de uso agrcola; ha sido adaptada a pequeas cuencas urbanas con reas inferiores a 800 Ha; se ha encontrado que generalmente es buena cuando el rea se encuentra completamente pavimentada; para reas mixtas tiene tendencia a la sobrestimacin; se aplican factores de ajuste para corregir efectos de mejoras en canales e impermeabilizacin de superficies; la ecuacin supone que tc = 1.67 x retardo de la cuenca.

Fuente: * SCS Soil Conservation Service

9) Hietograma de Diseo En ocasiones no es suficiente el dato de que (por ejemplo) la precipitacin mxima para

las 5 horas ms lluviosas es de 100 mm.

Es posible que necesitemos conocer la evolucin de esos 100 mm. A lo largo de esas 5

horas.

Los mtodos hidrolgicos ms modernos requieren no slo del valor de lluvia o

intensidad de diseo, sino de una distribucin temporal (tormenta), es decir el mtodo

estudia la distribucin en el tiempo, de las tormentas observadas.

Una de las maneras de obtenerlo es a partir de las curvas IDF, dentro de ellas el Mtodo

del Bloque Alterno, es una manera sencilla.

(alternating block method, Chow et al).

a) Mtodo del Bloque Alterno El mtodo del bloque alterno es una forma simple para desarrollar un hietograma de

diseo utilizando una curva-duracin-frecuencia. El hietograma de diseo producido

por este mtodo especifica la profundidad de precipitacin en n intervalos de tiempo

sucesivos de duracin t, sobre una duracin total de Td=n.t.

Despus de seleccionar el periodo de retorno de diseo, la intensidad es leda en

una curva IDF para cada una de las duraciones t, 2t, 3t, 4t, y la profundidad

de precipitacin correspondiente se encuentra al multiplicar la intensidad y la

duracin. Tomando diferencias entre valores sucesivos de profundidad de

precipitacin, se encuentra la cantidad de precipitacin que debe aadirse por cada

unidad adicional de tiempo t. Estos incrementos o bloques se reordenan en una

secuencia temporal de modo que la intensidad mxima ocurra en el centro de la



Pag. 27

ESTUDIO HIDROLGICO

duracin requerida Td y que los dems bloques queden en orden descendente

alternativamente hacia la derecha y hacia la izquierda del bloque central para formar

el hietograma de diseo (Figura N03).

10) Precipitacin total y efectiva El exceso de precipitacin o precipitacin efectiva (Pe), es la precipitacin que no se

retiene en la superficie terrestre y tampoco se infiltra en el suelo. Despus de fluir a

travs de la superficie de la cuenca, el exceso de precipitacin se convierte en

escorrenta directa a la salida de la cuenca bajo la suposicin de flujo superficial

hortoniano. Las grficas de exceso de precipitacin vs. el tiempo o

hietograma de exceso de precipitacin es un componente clave para el estudio de las

relaciones lluvia-escorrenta. La diferencia entre el hietograma de lluvia total y el

hietograma de exceso de precipitacin se conoce como abstracciones o prdidas. Las

prdidas son primordialmente agua absorbida por filtracin con algo de intercepcin y

almacenamiento superficial. El hietograma de exceso de precipitacin puede calcularse

a partir del hietograma de precipitacin en una o dos formas, dependiendo de si existe o

no informacin de caudales disponibles para la tormenta.



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ESTUDIO HIDROLGICO

11) Estimacin de Caudales Cuando existen datos de aforo en cantidad suficiente, se realiza un anlisis estadstico

de los caudales mximos instantneos anuales para la estacin ms cercana al punto de

inters. Se calculan los caudales para los perodos de retorno de inters (2, 5, 10, 20,

50, 100 y 500 aos son valores estndar) usando la distribucin log normal, log pearson

III y Valor Extremo Tipo I (Gumbel), etc., segn el tem 3.7

Cuando no existen datos de aforo, se utilizan los datos de precipitacin como datos de

entrada a una cuenca y que producen un caudal Q. cuando ocurre la lluvia, la cuenca se

humedece de manera progresiva, infiltrndose una parte en el subsuelo y luego de un

tiempo, el flujo se convierte en flujo superficial.

A continuacin se presentan algunas metodologas:

a) Mtodo IILA Son escasas las estaciones que ofrecen informacin automatizada de registros

pluviales, por lo que existe bastante dispersin en los datos. Con el mtodo IILA, la

intensidad de lluvia que tiene una duracin t (en horas), para un periodo de retorno T

(en aos), es:

Y la precipitacin Pt,T tiene la siguiente relacin:

Segn la metodologa empleada las frmulas son vlidas para 3 t 24 horas.

Para t 3 horas se usa:

Las constantes a, b, K y n fueron determinadas en el Estudio de la Hidrologa del

Per realizado por el convenio IILA-SENAMHI-UNI (Plano n.2-C), 1983.

Otra expresin que se utiliza es:



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ESTUDIO HIDROLGICO

Nuevamente t y K son valores caractersticos de cada sub-regin hidrolgica.

Muchas veces t es funcin de la altitud Y.

(Mayor informacin se puede hallar en el realizado por el convenio IILASENAMHI-

UNI, 1983).

b) Mtodo Racional Estima el caudal mximo a partir de la precipitacin, abarcando todas las

abstracciones en un solo coeficiente c (coef. escorrenta) estimado sobre la base de

las caractersticas de la cuenca. Muy usado para cuencas, A



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ESTUDIO HIDROLGICO

TABLA N 08: Coeficientes de escorrenta mtodo racional

COBERTURA VEGETAL

TIPO DE SUELO PENDIENTE DEL TERRENO

PRONUNCIADA ALTA MEDIA SUAVE DESPRECIABLE > 50% > 20% > 5% > 1% < 1%

Sin vegetacin

Impermeable 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 Semipermeable 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 Permeable 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30

Cultivos Impermeable 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 Semipermeable 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 Permeable 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20

Pastos, vegetacin ligera


Hierba, grama


Bosques, densa vegetacin


El valor del coeficiente de escorrenta se establecer de acuerdo a las caractersticas

hidrolgicas y geomorfolgicas de las quebradas cuyos cursos interceptan el

alineamiento de la carretera en estudio. En virtud a ello, los coeficientes de escorrenta

variarn segn dichas caractersticas.

Mtodo Racional Modificado Es el mtodo racional segn la formulacin propuesta por Tmez (1987, 1991) adaptada

para las condiciones climticas de Espaa. Y permite estimar de forma sencilla caudales

punta en cuencas de drenaje naturales con reas menores de 770 km2 y con tiempos de

concentracin (Tc) de entre 0.25 y 24 horas, la frmula es la siguiente:

Donde:

Q : Descarga mxima de diseo (m3/s)

C : Coeficiente de escorrenta para el intervalo en el que

se produce I.

I : Intensidad de precipitacin mxima horaria (mm/h)

A : rea de la cuenca (Km2)

K : Coeficiente de Uniformidad



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ESTUDIO HIDROLGICO

Las frmulas que definen los factores de la frmula general, son los siguientes:

A) Tiempo de Concentracin (Tc)

Donde:

L= Longitud del cauce mayor (km)

S= Pendiente promedio del cauce mayor (m/m)

B) Coeficiente de Uniformidad

Donde: Tc= Tiempo de concentracin (horas)

C) Coeficiente de simultaneidad o Factor reductor (kA)

Donde:

A : rea de la cuenca (Km2)

D) Precipitacin mxima corregida sobre la cuenca (P)

Donde:

kA : Factor reductor

Pd : Precipitacin mxima diaria (mm)

E) Intensidad de Precipitacin ( I )



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ESTUDIO HIDROLGICO

Donde:

P : Precipitacin mxima corregida (mm)

Tc : Tiempo de concentracin (horas)

F) Coeficiente de Escorrenta ( C )

Donde:

Pd : Precipitacin mxima diaria (mm)

Po : Umbral de escorrenta = 50 CN : Nmero de curva

12) Avenida de Diseo La Avenida de Diseo es el caudal que se escoge, mediante diversas consideraciones,

para dimensionar un proyecto (o una parte de l).

Para su determinacin se usa la informacin bsica proporcionada por el estudio

hidrolgico (Estimacin de Caudales) y se incorporan los conceptos correspondientes a

riesgo, vulnerabilidad, importancia y costo de obra y muchos otros ms, como por

ejemplo el tipo de ro y de puente. En nuestro pas, existe escasez de datos, por lo que

juegan un papel muy importante la experiencia y el buen tino del ingeniero proyectista

para escoger la Avenida de Diseo. Dentro de los criterios para la seleccin de los

valores posibles estn los relativos al mximo nivel alcanzado por el agua, la capacidad

del encauzamiento, si fuese el caso las mximas socavaciones y muchas otras ms.

La Avenida de Diseo debe escogerse de modo de garantizar la estabilidad del ro y del

puente y teniendo en cuenta la evaluacin de los daos potenciales involucrados en una

potencial falla.

Se debe tener en cuenta adems que los dos ltimos meganios (1983 y 1998), tuvo

como caracterstica, desde el punto de vista hidrolgico y en relacin con la estabilidad

de las estructuras, es la aparicin de avenidas de larga duracin, de varios das.



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ESTUDIO HIDROLGICO

HIDRULICA Y DRENAJE

1) Drenaje Superficial a. Drenaje transversal de la Va

El elemento bsico del drenaje transversal se denomina alcantarilla, y el longitudinal

se llama cunetas

El objetivo principal en el diseo hidrulico de una obra de drenaje transversal y

longitudinal es determinar la seccin hidrulica ms adecuada que permita el paso

libre del flujo lquido y flujo slido que eventualmente transportan los cursos

naturales y conducirlos adecuadamente, sin causar dao a la carretera y a la

propiedad adyacente.

b. Diseo hidrulico El clculo hidrulico considerado para establecer las dimensiones mnimas de la

seccin para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la frmula de

Robert Manning para canales abiertos y tuberas, por ser el procedimiento ms

utilizado y de fcil aplicacin, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal

para una condicin de rgimen uniforme mediante la siguiente relacin.

Donde:

Q: Caudal (m3/s)

V : Velocidad media de flujo (m/s)

A : rea de la seccin hidrulica (m2)

P : Permetro mojado (m)

R : Radio hidrulico (m)

S : Pendiente de fondo (m/m)

n : Coeficiente de Manning (Ver Tabla N 09)



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ESTUDIO HIDROLGICO

TABLA N 09: Valores del Coeficiente de Rugosidad de Manning (n) TIPO DE CANAL MNIMO NORMAL MXIMO

A.

CO

ND

UC

TO C

ERR

AD

O C

ON

ESC

UR

RIM

IEN

TO

PAR

CIA

LMEN

TE L

LEN

O

A.1. METLICOS a. Bronce Polido b. Acero soldado con remaches c. Metal corrugado sub - dren dren para aguas lluvias

0.009 0.010 0.013 0.017 0.021

0.010 0.012 0.016 0.019 0.024

0.013 0.014 0.017 0.021 0.030

A.2 NO METLICOS a. Concreto tubo recto y libre de basuras tubo con curvas, conexiones afinado tubo de alcantarillado con cmaras, entradas. Tubo con moldaje de acero. Tubo de moldaje madera cepillada Tubo con moldaje madera en bruto b. Madera duelas laminada y tratada c. Albailera de piedra.

0.010 0.011 0.011 0.013 0.012 0.012 0.015 0.010 0.015 0.018

0.011 0.013 0.012 0.015 0.013 0.014 0.017 0.012 0.017 0.025

0.013 0.014 0.014 0.017 0.014 0.016 0.020 0.014 0.020 0.030

B. C

AN

ALE

S R

EVES

TID

OS

B.1 METAL a. Acero liso sin pintar pintado b. Corrugado

0.011 0.012 0.021

0.012 0.013 0.025

0.014 0.017 0.030

B.2 NO METLICO a. Madera Sin tratamiento Tratada Planchas b. Concreto afinado con plana afinado con fondo de grava sin afinar excavado en roca de buena calidad excavado en roca descompuesta c. Albailera piedra con mortero piedra sola

0.010 0.011 0.012 0.011 0.015 0.014 0.017 0.022 0.017 0.023

0.012 0.012 0.015 0.013 0.017 0.017 0.020 0.027 0.025 0.032

0.014 0.015 0.018 0.015 0.020 0.020 0.030 0.035

C. E

XCA

VAD

O

a. Tierra, recto y uniforme nuevo grava con algo de vegetacin b. Tierra, sinuoso sin vegetacin con malezas y pasto maleza tupida, plantas fondo pedregoso - malezas. c. Roca suave y uniforme irregular d. Canales sin mantencin maleza tupida Fondo limpio, bordes con vegetacin

0.016 0.022 0.022 0.023 0.025 0.030 0.025 0.025 0.035 0.050 0.040

0.018 0.025 0.027 0.025 0.030 0.035 0.035 0.035 0.040 0.080 0.050

0.020 0.030 0.033 0.030 0.033 0.040 0.040 0.040 0.050 0.120 0.080



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ESTUDIO HIDROLGICO

TIPO DE CANAL MNIMO NORMAL MXIMO

D. C

OR

RIE

NTE

S N

ATU

RA

LES

D.1. CORRIENTES MENORES (ANCHO

SUPERF. < 30 m)

a. Ros en planicies rectos, sin zonas muertas rectos sin zonas muertas con piedras y malezas Sinuoso, vegetacin y piedras Sinuoso, vegetacin y bastante pedregoso Abundante vegetacin, sinuoso. b. Torrentes de montaa, sin vegetacin, bordes abruptos. rboles y arbustos sumergidos Parcialmente en crecidas con piedras y Pocas rocas grandes rocas y piedras en el fondo.

0.025 0.030 0.035 0.045 0.075 0.030 0.040

0.030 0.036 0.045 0.050 0.100 0.040 0.050

0.033 0.040 0.050 0.060 0.150 0.050 0.070

D.2 PLANICIES DE INUNDACIN

a. con pasto sin arbusto pastizales bajos pastizales altos b. reas cultivadas sin cultivo con cultivos c. Arbustos y Malezas escasos densos d. Arboles sauces tierra despejada con troncos

0.025 0.030 0.020 0.030 0.040 0.070 0.110 0.030

0.030 0.035 0.030 0.040 0.060 0.100 0.150 0.040

0.035 0.050 0.040 0.050 0.080 0.160 0.200 0.050

D3 Ros Principales (ancho superior a 30 m)

Secciones Regulares Secciones Irregulares

0.025 0.035

- -

0.060 0.100

Fuente: Hidrulica de Canales Abiertos, Ven Te Chow, 1983.

Se debe tener en cuenta la velocidad, parmetro que es necesario verificar de tal

manera que se encuentre dentro de un rango, cuyos lmites se describen a

continuacin.

TABLA N 10: Velocidades mximas admisibles (m/s) en conductos revestidos

TIPO DE REVESTIMIENTO VELOCIDAD (M/S) Concreto 3.0 6.0 Ladrillo con concreto 2.5 3.5 Mampostera de piedra y concreto

2.0

Fuente: HCANALES, Mximo Villon B.

Se deber verificar que la velocidad mnima del flujo dentro del conducto no

produzca sedimentacin que pueda incidir en una reduccin de su capacidad

hidrulica, recomendndose que la velocidad mnima sea igual a 0.25 m/s.

Asimismo, se debe tener muy en cuenta la velocidad de flujo a la salida de la

alcantarilla, generalmente esta velocidad es mayor que la velocidad de



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ESTUDIO HIDROLGICO

escurrimiento en el cauce natural y debe limitarse a fin de evitar procesos de

socavacin del cauce aguas abajo de la estructura y no afecte su estabilidad.

A continuacin, se presenta una tabla con valores mximos admisibles de

velocidades de flujo segn el tipo de material donde se desplaza.

TABLA N 11: Velocidades mximas admisibles (m/s) en canales no revestidos

TIPO DE TERRENO FLUJO INTERMITENTE

(M/S)

FLUJO PERMANENTE

(M/S) Arena fina (no coloidal) 0.75 0.75 Arcilla arenosa (no coloidal) 0.75 0.75 Arcilla limosa (no coloidal) 0.90 0.90 Arcilla fina 1.00 1.00 Ceniza volcnica 1.20 1.00 Grava fina 1.50 1.20 Arcilla dura (coloidal) 1.80 1.40 Material graduado (no coloidal)

Desde arcilla a grava 2.00 1.50 Desde limo a grava 2.10 1.70 Grava 2.30 1.80 Grava gruesa 2.40 2.00 Desde grava a piedras (< 15 cm) 2.70 2.10 Desde grava a piedras (> 20 cm) 3.00 2.40

Fuente: Manual de Carreteras de California

HIDRULICA Y DRENAJE La socavacin es un problema que se genera cuando la seccin del cauce es modificado por obras

civiles, produciendo el colapso de la mismo

TIPOS DE SOCAVACIN

A. SOCAVACIN NORMAL O GENERAL

Se entiende por socavacin Normal el descenso del fondo de un ro que se produce al

presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad de arrastre de material

slido que en ese momento adquiere la corriente en virtud de su mayor velocidad(13) ,

este fenmeno es usual en las partes altas y medias de la cuenca, sin embargo,

experiencias de diagnsticos realizados en cuencas diversas de la Costa y Sierra Peruana,

han dado resultado de pendientes promedio de 5 a 7 % en la mayora de los casos, est

pendiente genera de hecho un flujo supercrtico que en su desplazamiento en el cauce del



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ESTUDIO HIDROLGICO

ro lleva consigo sedimentos, en este caso expreso de SOCAVACIN NORMAL , este

transporte es de fondo y con arrastre de material.

B. SOCAVACIN EN ESTRECHAMIENTOS

Se entiende por socavacin por estrechamientos la que se produce por aumento en la

capacidad de arrastre de slidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta

por efecto de una reduccin de rea Hidrulica de su cauce, Esta situacin de ve reflejada

por diversas situaciones, entre ellas mencionaremos: Presencia de una Obra construida en

el cauce de un ro, un puente por ejemplo, Asentamiento de una Poblacin a la Ribera de

un cauce que es manejado para evitar la erosin con muros de encauzamientos u otra

estructura de proteccin, En reas Agrcola donde pobladores manejan el cauce para evitar

la erosin con muros de encauzamientos u otra estructura de proteccin Ganancia de

terrenos con fines urbanos y/o Agrcolas En forma natural por la geomorfologa del Ro. En

cualesquiera de los casos citados, el cauce disminuye su rea Hidrulica y por ende se

incrementan las velocidades del flujo, este efecto se incrementa en poca de avenidas.

C. SOCAVACIN NORMAL O GENERAL

Cuando un ro describe una curva existe una tendencia en los filetes lquidos situados

mlejos del centro de curvatura a caminar ms aprisa que los situados hacia el interior,

como consecuencia, la capacidad de arrastre de slidos de los primeros es mayor en la

parte del cauce exterior a la curva que en la interior

D. SOCAVACIN EN PILAS

Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un ro se produce un cambio en las

condiciones hidrulicas de esta, y, por lo tanto, en su capacidad para producir el arrastre

slido



Pag. 38

ESTUDIO HIDROLGICO

SOCAVACIN GENERAL DEL CAUCE

Para la determinacin de la SOCAVACIN GENERAL DEL CAUCE, se presenta el criterio

propuesto por L.L.Lischtvan Lebediev Para aplicar este mtodo, es preciso hacer una serie de

clasificaciones, segn:

CAUCE DEFINIDO

Material Cohesivo: Distribucin de materiales Homogneo Distribucin de materiales

Heterogneo.

Material No Cohesivo: Distribucin de materiales Homogneo Distribucin de materiales

Heterogneo.

CAUCE NO DEFINIDO

Material Cohesivo: Distribucin de materiales Homogneo Distribucin de materiales

Heterogneo.

Material No Cohesivo: Distribucin de materiales Homogneo Distribucin de materiales

Heterogneo.

A. SOCAVACIN GENERAL EN CAUCES DEFINIDOS

El cauce es estable y presenta una seccin transversal uniforme, el aporte de material

en dichas secciones se presenta uniforme La condicin para que haya arrastre en las

partculas en un punto del fondo es que la velocidad media de la corriente sobre ese

punto, denominada velocidad real, vr, sea ms que la velocidad media que se requiere

para que el material existente en tal punto sea arrastrado, denominada velocidad

erosiva, esta situacin no se presenta muy comnmente en los cauces de los ros ya

que normalmente la pendiente de los ros de la Costa y Sierra Peruana, tienen cambios

muy bruscos y fuertes de pendientes en su recorrido. Sin embargo, en los tramos

estables donde se podra calificar como CAUCE DEFINIDO, en la mayora de los ros

peruanos se encuentra material heterogneo lo que responde al transporte continuo de

sedimentos por arrastre de fondo y suspensin debido a las paltas pendientes que

conforman los ros. En la Costa peruana se ha encontrado por lo general material no

cohesivo, caracterstica innata de estratos fluviales.



Pag. 39

ESTUDIO HIDROLGICO

A.1.) Anlisis de la socavacin general para suelos cohesivos en cauces definidos

con rugosidad uniforme

Siendo:

ve= velocidad erosiva, condicin de equilibrio (m/seg) : Ve = Vr

d= peso volumtrico del material seco que se encuentra a la profundidad Hs, en

ton/m3

= Coeficiente que est en funcin a la frecuencia de la avenida

Hs= tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer qu valor de Ve se

requiere para arrastrar y levantar el material, en m.

X = coeficiente variable que est en funcin del peso volumtrico del material seco,

en ton/md3. Ver Cuadros No 9 y 10 a continuacin.

Tabla N 12

. Probabilidad Anual en que se presenta el Gasto de Diseo.

Probabilidad anual (en %) de que se presente el gasto de diseo

Coeficiente B

100 0.77

50 0.82 20 0.86

10 0.90 5 0.94

2 0.97

1 1.00 0.30 1.04

0.20 1.05 0.10 1.07



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ESTUDIO HIDROLGICO

VALORES DE X y 1 / (1 + x) PARA SUELOS COHESIVOS

SUELOS COHESIVOS

Yd (mm)

X 1/(1+X) Yd (mm)

X 1/(1+X)

0.80 0.52 0.66 1.20 0.39 0.72

0.83 0.51 0.66 1.20 0.38 0.72

0.86 0.50 0.67 1.28 0.37 0.73 0.88 0.49 0.67 1.34 0.36 0.74

0.90 0.48 0.68 1.40 0.35 0.74 0.93 0.47 0.68 1.46 0.34 0.75

0.96 0.46 0.68 1.52 0.33 0.75

0.98 0.45 0.69 1.58 0.32 0.76 1.00 0.44 0.69 1.64 0.31 0.76

1.04 0.43 0.70 1.71 0.30 0.77 1.08 0.42 0.70 1.80 0.29 0.78

1.12 0.41 0.71 1.89 0.28 0.78 1.16 0.40 0.71 2.00 0.27 0.79

VALORES DE X y 1 / (1 + x) PARA SUELOS NO COHESIVOS

SUELOS NO COHESIVO

Yd (mm)

X 1/(1+X) Yd (mm)

X 1/(1+X)

0.05 0.43 0.70 40 0.30 0.77 0.15 0.42 0.70 60 0.29 0.78

0.50 0.41 0.71 90 0.28 0.78

1.00 0.40 0.71 140 0.27 0.79 1.50 0.39 0.72 190 0.26 0.79

2.50 0.38 0.72 250 0.25 0.80 4.00 0.37 0.73 310 0.24 0.81

6.00 0.36 0.74 370 0.23 0.81

8.00 0.35 0.74 450 0.22 0.82 10.00 0.34 0.75 570 0.21 0.83

5.00 0.33 0.75 750 0.20 0.83 20.00 0.32 0.76 1000 0.19 0.84

25.00 0.31 0.76



Pag. 41

ESTUDIO HIDROLGICO

A.2.) Anlisis de la socavacin general para suelos no cohesivos en cauces

definidos con rugosidad uniforme

Siendo:

Ve= velocidad erosiva, en m/seg

Hs= tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer que valor de

Ve, en m.

X = exponente variable que depende del dimetro del material

dm= dimetro media (en mm), de los granos del fondo obtenido por la

expresin:

di= dimetro media (en mm), de una fraccin de la curva granulomtrica de

la muestra que se analiza

pi= peso como porcentaje de esa misma porcin, comparada con respecto

al peso de la muestra.

La condicin de equilibrio para la socavacin ser tambin: Vr = Ve



Pag. 42

ESTUDIO HIDROLGICO

HIDROLOGIA, HIDRA ULICA



Pag. 43

ESTUDIO HIDROLGICO

2. HIDROLOGA

2.1. Cuencas Hidrogrficas

La cuenca Qda Alto Humuco se encuentra en el casero Alto Huamuco del centro

poblado la Morada, Distrito de Cholon, Provincia de Maraon.

2.2. Estudio de Hidrologa

Se tomara como referencia la estacin de Uchiza.

Localizacin de la cuenca hidrogrfica

2.3. Cartografa

El proyecto se encuentra dentro del mapa del Instituto Geogrfico Nacional (IGN) ,

carta nacional 1:100,000, adems se cuenta con informacin del levantamiento

topogrfico de la zona y Mapas satelitales de la zona.



Pag. 44

ESTUDIO HIDROLGICO

2.4. Pluviometra

La escorrenta existente y producida en el rea de estudio, proviene exclusivamente de

las precipitaciones pluviales cadas en la zona.

Un primer aspecto en el anlisis de las caractersticas pluviomtricas de la regin en

estudio lo constituy la recopilacin de antecedentes bsicos y el procesamiento

primario de la informacin recolectada.

Desafortunadamente, la informacin pluviomtrica del rea en estudio resulta limitada

en virtud de que solamente se dispone de series de datos colectados en estaciones

totalizadoras de lluvia (equipadas nicamente con pluvimetro), pero sin registros

continuos de la evolucin temporal de la precipitacin (pluvigrafos).

CUADRO N 01-a ESTACIONES PLUVIOMTRICAS EN LA ZONA DE ESTUDIO

ESTACIN PLUVIOMTRICA

UBICACIN PROVINCIA DPTO.

ALTITUD msnm

PERIODO DE REGISTRO LATITUD

SUR LONGITUD

OESTE Uchiza 08 29 76 24 TOCACHE SAN

MARTIN 544 1972-1984

CUADRO N 01-b TABLA DE PRECIPITACIONES MXIMAS EN 24 HORAS

Ao ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC Anual 1972 112.5 69.7 88.2 48.3 47.6 48.0 71.2 49.9 29.2 111.1 137.5 59.0 137.5

1973 54.2 84.8 75.5 75.1 62.7 65.9 53.9 51.8 51.1 125.8 89.5 36.4 125.8

1974 46.2 124.3 53.9 39.6 26.2 35.2 68.2 46.2 36.4 139.5 87.6 149.6 149.6

1977 91.5 82.5 102.2 150.6 41.6 28.0 36.9 73.0 47.4 130.4 58.3 112.8 150.6

1978 100.8 60.6 88.5 78.2 54.9 53.0 42.0 38.9 40.7 95.4 98.8 59.2 100.8

1979 52.0 42.7 56.6 62.2 72.0 38.1 31.3 64.5 22.0 80.0 102.0 88.4 102.0

1980 117.3 100.0 104.5 68.8 77.3 63.8 19.2 50.0 56.5 42.8 69.2 69.3 117.3

1981 50.0 35.2 45.7 37.2 56.8 78.0 27.0 40.2 42.2 40.0 47.8 62.6 78.0

1982 68.4 81.8 87.0 81.0 29.2 6.6 39.2 23.0 36.2 92.6 93.0 66.9 93.0

1983 104.6 42.6 55.3 54.8 68.8 25.9 35.2 55.1 103.5 58.2 77.8 51.8 104.6

1984 53.7 54.9 100.9 49.6 42.7 45.2 45.2 42.9 53.7 59.0 119.1 110.4 119.1



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ESTUDIO HIDROLGICO

En el cuadro N 02, se presenta la serie Histrica de precipitaciones mximas de 24 horas.

CUADRO N 02 ESTACIN UCHIZA PRECIPITACIN

MXIMA DE 24 HORAS

N AO PRECIPITACIN MXIMA 24

HORAS MES Pmax (mm)

1 1972 NOVIEMBRE 137.50 2 1973 OCTUBRE 125.80 3 1974 DICIEMBRE 149.60 4 1977 ABRIL 150.60 5 1978 ENERO 100.80

6 1979 NOVIEMBRE 102.00

7 1980 ENERO 117.30 8 1981 JUNIO 78.00 9 1982 NOVIEMBRE 93.00

10 1983 ENERO 104.60 11 1984 NOVIEMBRE 119.10

Fuente: Estacin Uchiza

Grfico N 01.- El histograma se expresa la variacin de la precipitacin en funcin con el

tiempo (aos), se observa que la variacin precipitacin mxima se da en el ao 1977 (Abril),

con una lectura mxima de 150.60 en una banda de datos de 11 aos.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

1972 1973 1974 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984

pre

cip

ita

cio

n (

mm

)

aos

GRAFICO N 01

PRECIPITACION MAXIMA 24 HORAS



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ESTUDIO HIDROLGICO

2.5. Periodo De Diseo Para Obras De Drenaje

Los periodos de diseo de las obras de drenaje fueron calculados a partir de la tabla N

01 y N 02 del MANUAL DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y DRENAJE del Ministerio

de Transporte y comunicaciones.

De la Tabla N2 se tiene un R=22% (Puentes)

Y una vida til del proyecto de 25 aos se tiene:

1 1 1

11 1 #

11 1 .22&' T=100 aos

T=500 aos (para socavacin)

2.6. Hidrologa Estadstica

Con el registro de precipitacin mxima en 24 horas, se procedi a calcular las alturas

de precipitacin extrema probable a diferentes periodos de retorno, sobre cuya base se

estimaran los caudales mximos para el diseo de las obras de drenaje que requiere el

proyecto.

El anlisis de frecuencias se basa en los diferentes de distribuciones de probabilidad

terica, se ha seleccionado las funciones de distribucin Normal, Log,-normal, Log-

Pearson III y Gumbel, por ser las ms usadas en la hidrologa para casos de eventos

mximos.

De las diferentes funciones de distribucin de probabilidad se elige la de Gumbel

Normal ya que es la ms se ajusta a este tipo de muestras.

En el cuadro N 03, se presenta las precipitaciones mximas en 24 horas obtenidas a

partir de la distribucin de probabilidad terica (Ver anexo H-02).



Pag. 47

ESTUDIO HIDROLGICO

CUADRO N 03 PRECIPITACIN MXIMA 24 HORAS PARA

DIFERENTES PERIODOS DE RETORNO

PERODO DE RETORNO EN

AOS

PRECIPITACIONES MAX DE 24 h (mm)

500 218.57

200 201.90

100 189.27

50 176.59

20 159.67

10 146.60

5 132.97

2.6.1. Calculo del Tiempo de concentracin

Debido a que la intensidad de la lluvia disminuye con la duracin de la tormenta,

el tiempo critico de duracin ser el tiempo de concentramiento. Para calcular el

tiempo de concentracin crtico se utiliz la frmula de Kirpich, U.S. Corps of

Engineers, Hathaway

() 0.02 +.,, -../0



Pag. 48

ESTUDIO HIDROLGICO

2.6.2. Calculo de la Intensidad de Lluvia (I)

Se recurri al principio conceptual, referente a que los valores extremos de lluvia

alta intensidad y corta duracin aparecen, en el mayor de los casos,

marginalmente dependientes de la localizacin geogrfica, con base en el hecho

de que estos eventos de lluvia estn asociados con celdas atmosfricas las

cuales tienen propiedades fsicas similares en la mayor parte del mundo.

Las estaciones de lluvia en la zona, no cuentan con registro pluviograficos que

permitan obtener las intensidades mximas. Sin embargo estas pueden ser

calculadas a partir de las lluvias mximas sobre la base del modelo de Yance

Tueros que permite calcular la lluvia mxima en funcin del periodo de retorno.

La expresin es la siguiente:

Donde:

td = duracin en minutos

Pt= precipitacin cada en t minutos con periodo de retorno de T aos.

n = parmetros del modelo, (0.434)

1234 = precipitacin mxima en 24 horas.

CUADRO N 04

LLUVIAS MXIMAS (mm) ESTACIN UCHIZA

T (aos)

Pmax de 24h

P1060 Duracin (t en min)

5 10 15 20 30 60 500 218.57 51.57 28.94 43.32 52.97 60.43 71.89 94.40 200 201.90 48.11 24.15 36.15 44.20 50.43 60.00 78.78 100 189.27 45.46 20.79 31.12 38.04 43.40 51.64 67.81 50 176.59 42.78 17.65 26.42 32.30 36.85 43.84 57.56 20 159.67 39.17 13.84 20.72 25.33 28.90 34.38 45.14 10 146.60 36.35 11.22 16.79 20.53 23.42 27.86 36.58 5 132.97 33.37 8.80 13.18 16.11 18.38 21.87 28.71

Fuente Propia

5 6 389:;: 1= 1234 (51440

5 ? 389:;: 1= 1234 1801440 (5180

.2



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ESTUDIO HIDROLGICO

Las intensidades mximas calculadas para estas alturas de lluvia mximas y

diferentes duraciones de lluvia, se muestran en el cuadro N 5

CUADRO N 05 Intensidades mximas (mm/h) ESTACIN UCHIZA

T (aos)

Pmax de 24h

I= aPb24 Duracin (t en min)

5 10 15 20 30 60 500 218.57 51.57 347.31 259.94 211.86 181.28 143.78 94.40 200 201.90 48.11 289.84 216.93 176.80 151.28 119.99 78.78 100 189.27 45.46 249.47 186.71 152.18 130.21 103.28 67.81 50 176.59 42.78 211.79 158.51 129.19 110.54 87.68 57.56 20 159.67 39.17 166.09 124.31 101.32 86.69 68.76 45.14 10 146.60 36.35 134.59 100.73 82.10 70.25 55.72 36.58 5 132.97 33.37 105.64 79.07 64.44 55.14 43.74 28.71 Fuente: Propia - Modelo de Yance Tueros

Las curvas de intensidad duracin frecuencia, se han calculado

indirectamente, mediante la siguiente relacin:

A BC

( Donde:

I= Intensidad mxima (m/min)

K, m, n = factores caractersticos de la zona de estudio.

T = periodo retorno en aos

t = duracin de la precipitacin equivalente al tiempo de concentracin (min)

Si se toman los logaritmos de la ecuacin anterior se obtiene:

A 156.50 .E0F

./2G

CUADRO N 06 Intensidades mximas Duracin Periodo de Retorno

Duracin (t) (min)

Periodo de Retorno (T) en aos 50 100 200 500

10 148.10 171.24 197.98 239.85 20 102.32 118.31 136.78 165.71 30 82.42 95.29 110.18 133.48 40 70.70 81.74 94.50 114.49 50 62.76 72.56 83.90 101.64 60 56.94 65.84 76.12 92.22



Pag. 50

ESTUDIO HIDROLGICO

Duracin (t) (min)

Periodo de Retorno (T) en aos 50 100 200 500

70 52.45 60.64 70.11 84.94 80 48.84 56.47 65.29 79.10 90 45.87 53.03 61.32 74.28

100 43.36 50.13 57.96 70.22 110 41.21 47.65 55.09 66.74 120 39.34 45.49 52.59 63.71

0

50

100

150

200

250

300

10 100

Inte

nsi

da

de

s M

x

ima

s (m

m)

Duracin (min)

GRAFICO H4-01

CURVA INTENSIDAD - DURACIN - PERIODO

T=20

T=50

T=100

T=200



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ESTUDIO HIDROLGICO

2.7. Cuencas Hidrogrficas

Del levantamiento de campo, planos catastrales y de imgenes satelitales se pudo

identificar, delimitar la cuenca de la Quebrada Molope con las siguientes propiedades.

CUADRO N 07 Parmetros Geomorfolgicos de la cuenca

Nombre de

Cuenca

REA (Km2)

Permetro de cuenca

(km)

Longitud de cauce principal

(km)

Cota Superior (msnm)

Cota Inferior (msnm)

Desnivel H (m)

Pendiente del Cauce

Pendiente del cuenca

Qda Alto Huamuco

0.11 1.54 0.56 725 625 100 18.02% 24.98%

CUADRO N 08

Calculo de coeficiente de escorrenta TIPO DE RELIEVE (K1) 30 PERMEABILIDAD DEL SUELO (K2) 15 VEGETACIN (K3) 5 CAPACIDAD DE RETENCIN (K4) 10 K=K1+K2+K3+K4 60 COEFICIENTE DE ESCORRENTA (C) 0.56

C=0.56

2.8. Caudal De Diseo

La estimacin de caudal de diseo, se ha determinado de acuerdo a la precipitacin y

las caractersticas de las cuencas.

De los diferentes mtodos que existen para la determinacin de caudales, se empleara

el Mtodo racional para la determinacin del caudal

Donde:

H 0.278JKL Q=Caudal de diseo (m3/s)

C=Coeficiente de escorrenta

I=Intensidad de precipitacin (mm/hr)

A=rea de cuenca (Km2)

A continuacin se presentan los diferentes caudales para las diferentes obras de arte



Pag. 52

ESTUDIO HIDROLGICO

CUADRO N 08 Caudal De Diseo

PERIODO DE RETORNO

A (KM2)

C I

(mm/h) Q

(m3/s) OBSERVACIN

20 aos 0.11 0.56 179.12 2.989 50 aos 0.11 0.56 217.00 3.621 100 aos 0.11 0.56 250.89 4.187 EST. CAPTACIN 500 aos 0.11 0.56 351.42 5.864

2.9. Diseo Hidrulico De Estructuras De Drenaje

En este captulo se aborda la definicin y dimensionamiento de las estructuras para el

control de los flujos de agua superficial y subsuperfical que discurran en el rea del

proyecto.

Para ello se ha tenido en cuenta la evaluacin hidrulica y las condiciones de las obras

de drenaje existente, caractersticas del rea del proyecto y el estudio hidrolgico

realizado.

Para clculo hidrolgico se empleara el mtodo de Robert Manning para canales

abiertos.

Para el clculo de la seccin de se tendr en cuenta el borde libre el cual

Documents

Memoria Hidrologia e Hidraulica - Alto Huamuco