UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA ...repositorio.uca.edu.ni/3676/1/UCANI4610.pdf · personal de la Universidad Centroamericana que aportaron en cada paso del avance

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE

“Revisión hidrotécnica y propuesta de mejora de la caja

vehicular localizada en el tramo La Botella-Güisquiliapa del

municipio de Jinotepe, Carazo.”

Tesis para obtener el Título de Ingeniero Civil

Autores:

Br. Yane Marjudith Zúniga Montenegro

Br. Gerald Alexander Ingram Alfaro

Tutor:

MSc. Ing. Jean Carlos Gutiérrez Gutiérrez

Asesor:

Dr. Ing. Néstor Javier Lanza Mejía

Managua, Nicaragua

Diciembre 2016

i

DEDICATORIAS

A Dios por ser el dador de vida y quien me brinda la sabiduría para dar cada paso

en esta larga carrera que es la vida.

A mi familia por ser ese núcleo que impulsa cada día a ser mejor y salir adelante

como persona de bien, para el desarrollo personal y el apoyo a los demás. A mi

madre Rosario Alfaro, por estar cada momento a mi lado dando ese cariño que

alienta a no dejarse caer; a mi padre Gerald Ingram, por ser esa figura recta que

forjó valores de responsabilidad y respeto que hoy me han traído hasta este punto.

A mi hermana Stephanie Ingram, por el apoyo en cada momento de dificultad y que

demostró que siempre se puede ser excelente en algo si se le pone empeño.

A cada uno de mis amigos y compañeros que de una u otra forma me ayudaron a

llegar hoy a estar a un paso de la meta.

Br. Gerald Alexander Ingram Alfaro.

ii

DEDICATORIAS

A Dios por darme fuerzas, sabiduría para poder concluir mis estudios y por siempre

estar conmigo.

A mis padres Paulina Montenegro y Diógenes Zúniga por ayudarme a culminar mis

estudios y por siempre tratar de darme lo que necesitaba.

A Jahaira Martínez, Adelayda Centeno, Edgar Rivas y a todas las personas que me

apoyaron de una u otra manera de forma desinteresada.

A mis profesores por haberme brindados sus conocimientos, por tenerme paciencia

y por dar lo mejor de ellos para que fuera una profesional con valores.

A mis amigos y compañeros con los que compartí muchas cosas.

Br. Yane Marjudith Zúniga Montenegro

iii

AGRADECIMIENTOS

A nuestro tutor, Ing. Jean Carlos Gutiérrez por guiarnos en el desarrollo de este

trabajo con toda la disposición y buenas intenciones.

A nuestro asesor, Ing. Néstor Javier Lanza por brindarnos sus conocimientos de

manera servil y con paciencia motivarnos a realizar un trabajo de calidad.

A los docentes Ing. Elizabeth Peña, Ing. Jimi Vanegas, Ing. Otoniel Baltodano, y

personal de la Universidad Centroamericana que aportaron en cada paso del

avance de este proyecto, pues de manera desinteresada tendieron la mano cuando

se les necesitaba.

A nuestros amigos y compañeros por compartir conocimientos y momentos que nos

ayudaron a crecer como personas y a aprender a trabajar en conjunto para dar un

mejor resultado.

A todos ellos, muchas gracias.

iv

ÍNDICE

RESUMEN ............................................................................................................ xiv

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES ............................................................................... 1

1.1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 2

1.2. ANTECEDENTES ..................................................................................... 4

1.3. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 5

1.4. LIMITACIONES ........................................................................................ 6

1.5. OBJETIVOS .............................................................................................. 7

1.5.1. OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 7

1.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 7

CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .......................................................... 8

2.1. LOCALIZACIÓN ....................................................................................... 9

2.2. CARACTERÍSTICAS DEL CAUCE ......................................................... 10

2.3. CARACTERÍSTICAS DE LA CAJA VEHICULAR ................................... 11

CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO ............................................................................. 12

3.1. ESTUDIO HIDROLÓGICO ..................................................................... 13

3.1.1. CUENCA HIDROGRÁFICA ............................................................... 13

3.1.1.1. Características fisiográficas de la cuenca ................................... 14

A. Parámetros de forma...................................................................... 14

a) Área de la cuenca ....................................................................... 14

b) Perímetro de la cuenca ............................................................... 15

c) Forma de la cuenca .................................................................... 15

B. Parámetros del relieve ................................................................... 16

a) Altitud media ............................................................................... 16

b) Pendiente media ......................................................................... 17

C. Parámetros del drenaje .................................................................. 17

a) Longitud del cauce principal........................................................ 17

b) Densidad del drenaje .................................................................. 18

D. Tipo de suelo .................................................................................. 19

a) Clasificación del suelo según SUCS ........................................... 19

b) Clasificación del suelo según SCS ............................................. 20

v

E. Cobertura vegetal ........................................................................... 21

3.1.1.2. Características meteorológicas de la cuenca.............................. 22

A. Precipitación ................................................................................... 22

a) Intensidad ................................................................................... 22

b) Duración...................................................................................... 23

c) Frecuencia .................................................................................. 23

B. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia ........................................ 23

3.1.2. DETERMINACION DEL CAUDAL ..................................................... 24

3.1.2.1. Método Racional ......................................................................... 24

A. Coeficiente de Escorrentía ............................................................. 26

B. Tiempo de concentración ............................................................... 27

C. Periodo de retorno ......................................................................... 28

3.2. ESTUDIO HIDRÁULICO ......................................................................... 29

3.2.1. CANALES ABIERTOS ....................................................................... 29

3.2.1.1. Clasificación de canales abiertos ................................................ 29

A. Canales naturales .......................................................................... 29

B. Canales artificiales ......................................................................... 30

3.2.1.2. Geometría de un canal ............................................................... 30

A. Secciones transversales de un canal ............................................. 30

B. Elementos geométricos de una sección de canal .......................... 31

a) Profundidad del flujo o tirante (y) ................................................ 31

b) Nivel ............................................................................................ 31

c) Ancho superficial (T) ................................................................... 32

d) Área mojada (A) .......................................................................... 32

e) Perímetro mojado (P) .................................................................. 32

f) Radio hidráulico (R) .................................................................... 32

g) Profundidad hidráulica o tirante hidráulico (D) ............................ 32

3.2.1.3. Consideraciones de diseño ......................................................... 32

A. Velocidad máxima permisible ......................................................... 32

B. Velocidad mínima permisible ......................................................... 33

C. Material y revestimiento no erosionable ......................................... 34

vi

D. Pendientes del canal ...................................................................... 34

E. Borde libre ...................................................................................... 35

F. Sección hidráulica más eficiente .................................................... 36

G. Ecuación de Manning ..................................................................... 36

H. Factores que afectan el coeficiente de rugosidad de Manning ...... 37

a) Rugosidad superficial .................................................................. 37

b) Vegetación .................................................................................. 37

c) Irregularidad del canal ................................................................ 37

d) Alineamiento del canal ................................................................ 37

e) Sedimentación y Socavación ...................................................... 38

f) Obstrucción ................................................................................. 38

g) Tamaño y Forma del canal ......................................................... 38

h) Nivel y Caudal ............................................................................. 38

I. Método de Cowan para evaluar el coeficiente de Manning ............... 38

3.2.1.4. Modelación hidráulica del cauce en flujo variado con Hec Ras .. 39

A. Componente de Datos Geométricos. ............................................. 40

a) Sistema esquemático del rio o Cauce ......................................... 40

b) Secciones Transversales del Cauce ........................................... 41

c) Secciones transversales con Flujo Inefectivo ............................. 41

d) Coeficientes de Contracción y Expansión ................................... 41

B. Componente de Datos Hidráulicos ................................................. 42

a) Perfiles de Flujo Uniforme ........................................................... 42

3.2.1.5. Modelación de hidráulica de puente con Hec Ras ...................... 42

CAPÍTULO 4 MARCO METODOLÓGICO ................................................................ 43

CAPÍTULO 5 RESULTADOS.................................................................................... 47

5.1. ESTUDIO HIDROLÓGICO ..................................................................... 48

5.1.1. CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS DE LA CUENCA ................. 48

5.1.1.1. Parámetros de forma .................................................................. 48

A. Área y Perímetro de la cuenca ....................................................... 48

B. Forma de la cuenca ....................................................................... 49

5.1.1.2. Parámetros del relieve ................................................................ 50

vii

A. Altitud media .................................................................................. 50

B. Pendiente media ............................................................................ 50

5.1.1.3. Parámetros del drenaje ............................................................... 51

A. Longitud del cauce principal ........................................................... 51

B. Densidad del drenaje ..................................................................... 51

5.1.1.4. Tipo de suelo .............................................................................. 52

A. Clasificación del suelo según SUCS .............................................. 52

B. Clasificación del suelo según SCS ................................................. 53

5.1.1.5. Cobertura vegetal ....................................................................... 53

5.1.2. CARACTERÍSTICAS METEOROLÓGICAS DE LA CUENCA .......... 54

5.1.3. DETERMINACION DEL CAUDAL ..................................................... 55

5.1.3.1. Coeficiente de escorrentía .......................................................... 55

5.1.3.2. Tiempo de concentración ............................................................ 56

5.1.3.3. Periodo de retorno ...................................................................... 57

5.1.4. Caudales de diseño ........................................................................... 57

5.2. ESTUDIO HIDRÁULICO ......................................................................... 58

5.2.1. CLASIFICACIÓN DEL CANAL .......................................................... 58

5.2.2. GEOMETRÍA DEL CANAL ................................................................ 58

5.2.2.1. Secciones transversales del canal .............................................. 59

5.2.2.2. Elementos geométricos de la sección del canal ......................... 59

5.2.3. MODELAMIENTO EN HEC RAS....................................................... 59

5.2.3.1. Datos considerados en el modelamiento .................................... 59

A. Coeficiente de Manning.................................................................. 60

B. Pendiente ....................................................................................... 61

5.2.3.2. Resultados de la simulación ....................................................... 62

A. Velocidad del flujo en el tramo ....................................................... 65

5.2.4. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS .................................................. 66

5.2.4.1. Alternativa 1: Ampliación y Revestimiento del Cauce con Piedra

Cantera. 67

A. Velocidad del flujo .......................................................................... 71

5.2.4.2. Alternativa 2: Revestimiento del Cauce a base de Concreto. ..... 72

viii


5.2.4.3. Alternativa 3: Cambio de Alineamiento y Rediseño de la Caja

Vehicular. ................................................................................................... 78


CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 84

6.1. CONCLUSIONES ................................................................................... 85

6.2. RECOMENDACIONES ........................................................................... 86

6.3. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 87

CAPÍTULO 7 ANEXOS ............................................................................................ 89

7.1. IMÁGENES ............................................................................................. 90

7.2. FIGURAS ................................................................................................ 96

7.3. TABLAS .................................................................................................. 99

7.4. MANUALES .......................................................................................... 104

7.5. PLANOS ............................................................................................... 109

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Clasificación de las cuencas según su tamaño. ...................................... 14

Tabla 2. Forma de la cuenca según coeficiente de Gravelius ............................... 16

Tabla 3. Clasificación del terreno según su pendiente .......................................... 17

Tabla 4. Clasificación del cauce principal de acuerdo a su longitud. .................... 18

Tabla 5. Clases de densidad de drenaje en una cuenca. ..................................... 19

Tabla 6. Clasificación del suelo de acuerdo a sus características hidrológicas. ... 20

Tabla 7. Condición hidrológica del suelo según su uso. ....................................... 21

Tabla 8. Deducciones de la unidad para obtener C’ en áreas rurales ................... 26

Tabla 9. Períodos de retorno recomendados para diseño de obras hidráulicas. .. 28

Tabla 10. Velocidades máximas permisibles recomendadas por Fortier y Scobey33

Tabla 11. Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en diferentes

clases de materiales. ............................................................................................ 35

Tabla 12. Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad por el método de

Cowan. .................................................................................................................. 39

Tabla 13. Intensidades para periodos de retorno. ................................................. 57

Tabla 14. Caudales de diseño ............................................................................... 58

Tabla 15. Elementos geométricos de secciones de canal. ................................... 59

Tabla 16. Velocidades Máximas y Mínimas en el canal natural. ........................... 65

Tabla 17. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 1. ........................ 71



Tabla 20. Composición Granulométrica de la muestra 1. ..................................... 99

Tabla 21. Composición Granulométrica de la muestra 2. ................................... 100

Tabla 22. Límites de Atterberg ............................................................................ 101

Tabla 23. Tipo de Suelo según SUCS ................................................................ 102

Tabla 24. Intensidades Máximas Anuales de Precipitación de la estación Masatepe

(Campos Azules). ................................................................................................ 103

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Mapa de localización del sitio .................................................................. 9

Figura 2. Cuenca hidrográfica delimitada. ............................................................. 13

Figura 3. Componentes de la cuenca ................................................................... 14

Figura 4. Curva hipsométrica ................................................................................ 16

Figura 5. Curva Intensidad-Duración-Frecuencia.................................................. 24

Figura 6. Elementos geométricos de la sección tranversal de un canal ................ 31

Figura 7. Secciones hidráulicas más eficientes ..................................................... 36

Figura 8. Áreas del flujo inefectivo. ....................................................................... 41

Figura 9. Cuenca hidrográfica en estudio ............................................................. 48

Figura 10. Área y Perímetro de la cuenca. ............................................................ 49

Figura 11. Curva hipsométrica de la cuenca ......................................................... 50

Figura 12. Cauce principal de la cuenca. .............................................................. 51

Figura 13. Curva IDF, Estación Masatepe ............................................................ 54

Figura 14. Curva IDF Ajustada, Estación Masatepe. ............................................ 55

Figura 15. Valores del coeficiente de rugosidad n. ............................................... 61

Figura 16. Condiciones del flujo en profundidad normal para Hec Ras. ............... 61

Figura 17. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+340. .................................. 62



Figura 20. Comportamiento del Flujo en la Sección de entrada de la caja vehicular.

.............................................................................................................................. 63

Figura 21. Comportamiento del Flujo en la Sección de salida de la caja vehicular.

.............................................................................................................................. 64


Figura 23. Perfil del Flujo en Secciones Naturales. ............................................... 64

Figura 24. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 344. ............................ 66


Figura 26. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 1. .. 67



Figura 29. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja puente para

la propuesta 1. ...................................................................................................... 69

Figura 30. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja puente para

la propuesta 1. ...................................................................................................... 69


Figura 32. Perfil del Flujo en la Propuesta 1. ........................................................ 70


Figura 34. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 109 ............................. 72


xi



Figura 38. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja puente para

la propuesta 2. ...................................................................................................... 74

Figura 39. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja puente para

la propuesta 2. ...................................................................................................... 75








Figura 47. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja vehicular

para la propuesta 3. .............................................................................................. 79

Figura 48. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja vehicular para

la propuesta 3. ...................................................................................................... 80





Figura 53. Elementos geométricos de secciones de canal. .................................. 96

Figura 54. Clasificación de suelos según SUCS ................................................... 97

Figura 55. Mapa de orden y suborden de suelos, Nicaragua. ............................... 98

xii

ÍNDICE DE IMAGENES

Imagen 1. Cauce de entrada ................................................................................. 10

Imagen 2. Cauce de salida.................................................................................... 10

Imagen 3. Acero de refuerzo de losa en la caja vehicular. .................................... 11

Imagen 4. Geometría de caja vehicular en camino viejo a Güisquiliapa. .............. 11

Imagen 5. Río Chiquito, León................................................................................ 29

Imagen 6. Cauce El Dorado, Managua ................................................................. 29

Imagen 7. Levantamiento topográfico a un extremo de la caja puente. ................ 90

Imagen 8. Levantamiento topográfico en la sección de salida del tramo revestido

aguas abajo........................................................................................................... 90

Imagen 9. Caja Puente. ........................................................................................ 91

Imagen 10. Sección de entrada de la Caja Puente. ............................................. 91

Imagen 11. Sección de salida de la Caja Puente. ................................................. 92

Imagen 12. Cauce aguas arribas. ......................................................................... 92

Imagen 13. Cauce aguas abajo. ........................................................................... 93

Imagen 14. Daños provocados por el rebose en la caja vehicular. ....................... 93

Imagen 15. Arrastre de sedimentos y basura a la caja. ........................................ 94

Imagen 16. Granulometría de la muestra 1. .......................................................... 94

Imagen 17. Granulometría de la muestra 2. .......................................................... 95

Imagen 18. Muestras para determinar los límites líquidos y plásticos. ................. 95

xiii

ÍNDICE DE ECUACIONES

(ec.1) Coeficiente de Compacidad o de Gravelius ............................................... 15

(ec.2) Pendiente media del Cauce ........................................................................ 17

(ec.3) Densidad del Drenaje ................................................................................. 18

(ec.4) Intensidad Máxima ...................................................................................... 22

(ec.5) Caudal Máximo por Método Racional ......................................................... 25

(ec.6) Coeficiente de Escorrentía .......................................................................... 26

(ec.7) Tiempo de Concentración por Kirpich ......................................................... 27

(ec.8) Tiempo de Concentración por Temez ......................................................... 27

(ec.9) Tiempo de Concentración por Pasini .......................................................... 27

(ec.10) Tiempo de Concentración por Pizarro....................................................... 27

(ec.11) Tiempo de Concentración por PHCA ........................................................ 28

(ec.12) Radio Hidráulica ........................................................................................ 32

(ec.13) Profundidad Hidráulica .............................................................................. 32

(ec.14) Ecuación de Manning................................................................................ 36

(ec.15) Ecuación de Cowan para coeficiente de Manning .................................... 38

xiv

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación se realizó un estudio hidrotécnico de la caja

vehicular ubicada en el tramo La Botella - Güisquiliapa del Municipio de Jinotepe,

Carazo y proponer obras que mitiguen el problema de dicha caja. Esto mediante la

recopilación de datos en el sitio, así como la aplicación de los software Autocad Civil

3D, Arc GIS, Hec Ras, que permiten generar información más precisa.

Se realizó un estudio hidrológico de la cuenca para determinar el caudal que pasa

por el punto de interés en diferentes periodos de retorno. Posterior a esto se analizó

hidráulicamente la caja y el cauce en sus condiciones actuales, lo cual facilitaría

identificar las causas del mal funcionamiento y valorar la solución óptima que

permita contrarrestar la problemática existente.

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

2

1.1. INTRODUCCIÓN

Las obras de drenaje son los elementos estructurales que eliminan la inaccesibilidad

de un camino, provocada por el agua o la humedad. La localización y el diseño de

las obras de drenaje tienen una gran importancia en el proyecto de vías terrestres,

una mala localización o un mal diseño ocasionan graves problemas en el buen

funcionamiento de un camino, pues la falla de una obra trae como consecuencia la

interrupción del servicio de la vía en operación, así como las molestias causadas a

los usuarios por la pérdida de tiempo, además de las pérdidas económicas que

pueden ser considerables. De la construcción de las obras de drenaje, dependerá

en gran parte la vida útil, facilidad de acceso y vida útil del camino. (Servín Peralta,

2010)

El problema se inicia a consecuencia de las lluvias que trae como resultado el mal

funcionamiento del drenaje, generando problemas como obstrucciones en la obras

de captación, canales deteriorados, vegetación en las laderas y cortes, etc., que a

lo largo ocasionan daños muy costosos e importantes de tomarse en cuenta en

cuestión económica ya que un camino mal proyectado genera mayores costos de

mantenimiento y conservación. (Servín Peralta, 2010)

Es por esta razón que el diseño y construcción de un sistema de drenaje superficial

requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrología. Los objetivos

principales del drenaje son la preservación de la carretera, ya que ésta juega un

papel social y económico.

En Nicaragua, la Ley No. 40 “Ley de Municipios” en su artículo 6 y 7 estipula que la

alcaldía de cada municipio debe velar por el buen funcionamiento de las obras de

drenaje que existen en él, revisando los diseños, dando el debido mantenimiento y

garantizando que su funcionalidad no afecte a los pobladores aledaños. Sin

embargo, las zonas rurales más alejadas del casco urbano, no corresponden a las

alcaldías; sino que es el Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI) que regula

todas las obras que se ejecuten en dicha zona.

En la comunidad de Güisquiliapa del municipio de Jinotepe, exactamente en el

tramo La Botella-Güisquiliapa, existe una caja vehicular, a través de la cual son

desviadas las aguas pluviales y domiciliares del sector sur del municipio hacia el

cauce “El Tigre” a las afueras de la ciudad. Esta obra hidráulica ha presentado un

déficit en su funcionamiento pues en periodos lluviosos, el caudal sobrepasa el nivel

de la caja y circula por la calle haciéndola intransitable y peligrosa debido a grandes

socavaciones.

3

El problema surge debido a que el diseño actual de la obra sigue siendo el mismo

que se planificó y construyó hace más de 30 años. A la cual solo se le ha realizado

una ampliación, la cual no fue diseñada para las condiciones, únicamente se

construyó para dar una solución inmediata al problema.

La presente investigación, presenta estudios descriptivos a través de los cuales se

permite calcular las condiciones hidrológicas de la cuenca en la cual se ubica la caja

vehicular, que a su vez da las herramientas necesarias para determinar los caudales

aproximados que circulan por el punto en determinados eventos. Se presentan las

secciones transversales del cauce, realizadas propiamente para esta investigación,

pues previamente no se contaban con dichos levantamientos topográficos.

Finalmente se cuenta con un diseño hidráulico óptimo tanto del cauce como de la

caja vehicular que permitirá que el caudal que llega al punto, circule a través de la

obra de cruce, sin que se transfiera al tramo y se perjudique al mismo, beneficiando

a toda la población aledaña y a la que habita adyacente al tramo.

4

1.2. ANTECEDENTES

La ciudad de Jinotepe se ha ido expandiendo considerablemente hacia sus zonas

sur y oriental que anteriormente eran zonas de cultivo. Esta expansión rápida ha

provocado que los sistemas de drenaje pluvial, diseñados hace mucho tiempo, ya

hayan colapsado, generando así un sinnúmero de problemas.

Debido a la falta de sistema de alcantarillado sanitario en los barrios sur-orientales

de la ciudad de Jinotepe, la población se ve obligada a verter las aguas domiciliares

a las cuneta y subsecuentemente a los cauces. Esta acción provoca que las obras

de drenaje colapsen, más aun en tiempos de lluvia.

De la problemática anterior existe un caso particular en el tramo La Botella-

Güisquiliapa ubicado al sur de la ciudad, pues actualmente se encuentra en muy

mal estado, presenta socavamientos de hasta un metro en las zonas más críticas,

esto producto del rebose de la caja vehicular que se encuentra a 700 m del barrio

Güisquiliapa en dirección norte.

Según pobladores de la zona la caja se construyó en los años 80 cuando se quiso

reactivar el camino que une el centro de Jinotepe con el barrio Güisquiliapa. En 2003

bajo el mandato municipal de Tomás Guevara Enríquez (q.e.p.d), se realizó la

ampliación pues la sección no daba abasto al caudal que estaba circulando por el

punto. Sin embargo esta ampliación se realizó sin ninguna planificación técnica ni

un estudio previo.

El diseño actual de la obra, no satisface las necesidades ni su función, direccionar

las aguas desde el canal de entrada situado en el barrio La Botella, el cual capta las

aguas residuales y pluviales provenientes de los barrios aledaños que luego dirige

al canal de salida el cual se une a uno de los cauces naturales principales de

Jinotepe.

Producto del mal funcionamiento de la obra de cruce, el tramo es intransitable y se

considera un foco de contaminación y enfermedades.

5

1.3. JUSTIFICACIÓN

En los últimos años debido al incremento de la población, las obras de drenaje han

presentado problemas en distintos puntos de la ciudad de Jinotepe, tal es el caso

de la caja vehicular existente en el tramo La Botella-Güisquiliapa, en la cual al

presentarse precipitaciones el nivel de agua excede las paredes del cauce y circula

por el tramo deteriorándolo y causando que este no sea transitable.

La importancia de esta investigación radica en la realización de un estudio completo

y detallado de la caja puente del tramo La Botella-Güisquiliapa, así como el rediseño

de la misma para contar con un adecuado funcionamiento. De esta manera se

minimizaría la problemática de la saturación de la caja pues al reencausar

completamente el caudal al canal, se evitaría que el agua circule por el tramo en

dirección sur a Güisquiliapa remediando el problema de inundaciones y deterioro de

la calle.

Si el agua circula correctamente por el tramo, se detendría la socavación y deterioro,

se eliminarían los focos de contaminación y enfermedades y a su vez haría

transitable el tramo, lo cual beneficiaría directamente a la población adyacente y

rehabilitaría una ruta interna directa entre Jinotepe y Güisquiliapa.

6

1.4. LIMITACIONES

Debido a la antigüedad de la obra no se pudo obtener planos, estudios de suelos,

información topográfica, ni otros datos de la zona. La información obtenida que

adquirió por medio de entrevistas a personal de la alcaldía y pobladores aledaños.

No se pudo hacer el levantamiento topográfico de todo el cauce debido a la falta de

recursos tanto económicos como de tiempo. Por lo que únicamente se realizó el

levantamiento de 200 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo de la caja

vehicular, lo mínimo requerido por el MTI en el Manual para Revisión de Estudios

Hidrotécnicos de Drenaje Mayor.

Solo se realizaron dos sondeos manuales en los alrededores de la caja, los mismos

se realizaron aguas arriba debido a que aguas debajo de la caja vehicular, el cauce

se encuentra totalmente revestido, siendo un canal de concreto tapado con una

losa.

Los mapas proporcionados por INETER tienen una escala 1:750 000 lo cual no

permite visualizar con precisión la clasificación en cuanto a usos y tipos de suelo,

por lo que la clasificación utilizada en este trabajo se realizó por medio de las visitas

al sitio.

7

1.5. OBJETIVOS

1.5.1. OBJETIVO GENERAL

Evaluación hidrotécnica de la caja vehicular ubicada en el tramo La Botella-

Güisquiliapa en Jinotepe, Carazo.

1.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar el estudio hidrológico de la micro cuenca tomando como punto de

cierre la caja vehicular.

Efectuar el estudio hidráulico del cauce y la caja vehicular.

Proponer una alternativa de solución para la obra de drenaje mayor del tramo

La Botella-Güisquiliapa.

CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DEL

PROYECTO

9

2.1. LOCALIZACIÓN

El cauce en estudio se encuentra ubicado en el municipio de Jinotepe,

departamento de Carazo. Con una longitud aproximada de 2 km, el cauce recolecta

las aguas pluviales de todo el sector sur oriental de la ciudad, las cuales son

dirigidas hacia el cauce “El Tigre”.

La caja vehicular se localiza en el tramo La botella - Güisquiliapa en las coordenadas

588797 longitud este y 1307770 latitud norte.

Figura 1. Mapa de localización del sitio

Fuente: Propia de Autores.

10

2.2. CARACTERÍSTICAS DEL CAUCE

El cauce en estudio tiene aproximadamente 2 km de extensión, de los cuales 1.9

km están ubicados aguas arriba de la caja vehicular y los restantes, aguas abajo.

De la extensión total del cauce, solo un 60% (1200 m) se encuentra revestido. El

tramo del cauce con revestimiento de piedra cantera, tiene una sección rectangular,

que varía desde 40 cm al inicio de éste, hasta unos 2.06 m en el tramo de entrada

a la caja vehicular, (Ver Imagen 1). El cauce de salida de la caja vehicular, además

de estar revestido con piedra cantera, se encuentra tapado con una losa de concreto

de 10 cm de espesor (Ver Imagen 2).

En general el cauce presenta un pendiente aproximada de un 2.7%, su trayectoria

es de norte a sur y es relativamente rectilíneo, hasta llegar a la caja vehicular donde

se desvía unos 65° hacia el oeste en dirección al cauce “El Tigre”. El tipo de suelo

se observó homogéneo en toda la zona de estudio, presentado un color rojizo y

bastante arenoso al tacto.

Con el pasar del tiempo, la escorrentía superficial ha aumentado el tamaño del

cauce en sus secciones naturales, hasta el punto de convertirse en un camino

cauce, donde es imposible transitar, por ningún medio, cuando se presenta una

precipitación considerable. (Ver Imagen 14).

Imagen 1. Cauce de entrada Fuente: Propia de Autores

Imagen 2. Cauce de salida

Fuente: Propia de Autores

11

2.3. CARACTERÍSTICAS DE LA CAJA VEHICULAR

La caja vehicular ubicada en el camino viejo a Güisquiliapa, está construida con

piedra cantera y una losa de concreto de 13 cm, reforzada con varillas de acero # 4

(1/2”) espaciadas a 10 cm en sentido vertical y horizontal. (Ver Imagen 3). Está

conformada por dos celdas rectangulares de 1.37 m2 y 1.46 m2 de área

respectivamente. (Ver imagen 4). Sin embargo solo se cuenta con la información

visual de campo, pues no se logró obtener planos ni datos oficiales de la obra.

Imagen 3. Acero de refuerzo de losa en la caja vehicular.


Imagen 4. Geometría de caja vehicular en camino viejo a Güisquiliapa.


12

CAPÍTULO 3

MARCO TEÓRICO

13

3.1. ESTUDIO HIDROLÓGICO

La escorrentía es sin duda el factor más importante cuando se desea diseñar una

obra de ingeniería de cualquier tipo. Ésta corresponde a la cantidad de precipitación

que cae y no logra ser absorbida por suelo y entonces empieza a transportarse

sobre la superficie.

Para un adecuado diseño de la obra hidráulica se debe determinar la cantidad de

escorrentía que llegará al punto de interés, para esto se hace una delimitación de la

cuenca a la cual pertenece el cauce o río que se quiere intervenir; esto se determina

a partir de parámetros como es el tamaño de la cuenca, la intensidad de lluvia que

cae en el sitio, características del suelo, entre otras.

3.1.1. CUENCA HIDROGRÁFICA

Según (Gámez Morales, 2010) la cuenca hidrográfica podemos definirla como un

área surcada por un sistema de corrientes formados por los escurrimientos producto

de la precipitación que fluye hacia un cauce común, obedeciendo a las variaciones

topográficas del terreno (ver figura 2). Esta es por lo tanto el área de captación y

conducción de la precipitación, siendo el agua el elemento integrador.

La cuenca está delimitada por los puntos de mayor elevación altitudinal que

constituyen fronteras entre cuencas y subcuencas contiguas. A la unión de dichos

puntos se le conoce como parte aguas y reúne en un punto de salida el drenaje de

las aguas que pueden formar grande ríos, arroyos o simples corrientes efímeras.

Se deben estudiar las cuencas hidrográficas más allá de la delimitación de las

mismas. Se deben conocer las características fisiográficas (características físicas

de la cuenca), climáticas (relacionados a las precipitaciones) y los factores humanos

(intervención de la mano humana) que inciden en ella.

Figura 2. Cuenca hidrográfica delimitada.

Fuente: Manual de Hidrología Aplicada (Perez Campomanes, 2015)

14

3.1.1.1. Características fisiográficas de la cuenca

A. Parámetros de forma

Los parámetros morfológicos intentan reflejar las características de la cuenca en

cuanto a su forma (ver Figura 3) y la influencia en la respuesta a las precipitaciones.

Figura 3. Componentes de la cuenca

Fuente: Material de apoyo didáctico para la enseñanza y aprendizaje de la asignatura de hidrología

CIV-233 (Cahuana Andia & Yugar Morales, 2009)

a) Área de la cuenca

El tamaño de la cuenca es una característica que influye en el escurrimiento

superficial, ya que al incrementarse el tamaño se aumenta el volumen escurrido y

los escurrimientos máximos.

Las cuencas por su tamaño se les puede clasificar como:

Carácter Área (km2)

Pequeñas < de 50

Medianas De 50 a 150

Grandes > de 150

Tabla 1. Clasificación de las cuencas según su tamaño.

Fuente: Texto Básico de Hidrología (Gámez Morales, 2010)

15

b) Perímetro de la cuenca

Se refiere al borde de la forma de la cuenca proyectada en un plano horizontal, es

de forma muy irregular, se obtiene después de delimitar la cuenca.

c) Forma de la cuenca

Esta característica tiene fundamental importancia en la cantidad de escorrentía para

una misma área y una misma intensidad de lluvia, dado que una cuenca pequeña y

redondeada, tenderá a concentrar con mayor rapidez sus escurrimientos, en contra

de una alargada que tardará más tiempo en llevarlos a su punto de salida.

Las cuencas pequeñas y redondas suelen ocasionar inundaciones, sobre todo si

presentan fuertes pendientes que les imprima gran velocidad a las aguas.

El caudal de salida depende directamente de la forma de la hoya, la cual puede

expresarse por un factor “K” adimensional, llamado índice de compacidad o

coeficiente de Gravelius y que se expresa como:

𝑲 =𝟎. 𝟐𝟖 𝑷

𝑨𝟎.𝟓 (ec.1)

Donde:

K: coeficiente de compacidad o de Gravelius, adimensional.

P: perímetro de la cuenca, en kilómetros.

A: área de la cuenca, en kilómetros cuadrados.

Este coeficiente será mayor o igual a 1, de manera que entre más próximo a la

unidad, la forma de la cuenca se aproximará más a la de un círculo. Es decir, si el

índice de compacidad presenta valores mayores que la unidad, la cuenca será

alargada y tendrá forma circular a medida que el índice de compacidad se aproxime

a la unidad.

Generalmente, las cuencas extensas tienen forma de pera y las pequeñas de

abanicos, pero estas denominaciones descriptivas deben evitarse y emplear datos

numéricos que ofrecen mayor facilidad y seguridad para comparación.

En base a la cuantificación se distinguen tres tipos o clases de formas, según el

índice de compacidad o coeficiente de Gravelius:

16

Valores de “K” Tipos o clases de formas

De 1.00 a 1.25 De casi redonda a oval redonda

De 1.26 a 1.50 De oval redonda a oval oblonga

De 1.51 a 1.75 De oval oblonga a rectangular oblonga

Tabla 2. Forma de la cuenca según coeficiente de Gravelius


B. Parámetros del relieve

a) Altitud media

Para la obtención de la elevación media se utiliza un plano topográfico altimétrico,

que permite obtener la curva área-elevación conocida como curva hipsométrica, en

esta curva el área puede expresarse también en porcentaje, correspondiendo al

50% del área la elevación media de la cuenca como se observa en la figura 4.

Figura 4. Curva hipsométrica


El proceso se realiza, seleccionando el intervalo vertical de las curvas de nivel con

que se desea trabajar (cada 20, 40, 60, 80, 100 m, etc.), luego se determina el área

que está encerrada entre los contornos de las curvas de nivel y se acumulan dichas

áreas iniciando la acumulación por aquellas áreas que tienen las mayores

elevaciones hasta finalizar con las de menor elevación, lo cual se lleva a un eje de

coordenadas “X,Y”, colocando en el eje de las “Y” las elevaciones de la cuenca en

orden ascendente y en el eje de las “X” las áreas acumuladas o los porcentajes de

las áreas acumuladas respecto al área total de la cuenca, con lo cual se obtiene la

Curva Hipsométrica.

17

La curva hipsométrica permite caracterizar el relieve. Una pendiente fuerte en el

origen hacia cotas inferiores indica llanuras o penillanuras; si la pendiente es muy

fuerte hay peligro de inundación. Cuando tenemos gran parte de la superficie de la

cuenca a gran altitud estamos ante una cuenca de meseta. Cuando el río desciende

muy rápidamente en altitud tenemos una cuenca de valle fluvial.

b) Pendiente media

La pendiente del cauce se le puede estimar por diferentes métodos, uno de ellos es

el de los valores extremos, el cual consiste en determinar el desnivel H entre los

puntos más elevado y más bajo del río en estudio y luego dividirlo entre la longitud

del mismo cauce L, lo que significa:

𝑺 =𝑯

𝑳 (ec.2)

Dónde:

S: Pendiente media del cauce.

H: Desnivel entre el punto más elevado y el más bajo.

L: Longitud del cauce.

Como orden de magnitud se pueden admitir los siguientes valores de clasificación

de terrenos en función de la pendiente media.

Rangos de pendiente (%) Clases de terreno

0 - 2 Plano

2 – 5 Suave

5 – 10 Accidentado medio

10 – 15 Accidentado

15 – 25 Fuertemente accidentado

25 – 50 Escarpado

50 - mas Muy escarpado

Tabla 3. Clasificación del terreno según su pendiente

Fuente: Apuntes de Hidrología de Superficie (Ayestas, 1994)

C. Parámetros del drenaje

a) Longitud del cauce principal

Es la medida del escurrimiento principal de la cuenca, medido desde la parte más

alta hasta la salida.

18

Rangos de longitud en kilómetros Clases de longitud del cauce

6.9 – 10.9 Corto

11-15 Mediano

15.1-19.1 Largo

Tabla 4. Clasificación del cauce principal de acuerdo a su longitud.

Fuente: Manual para la Revisión de Estudios Hidrotécnicos de Drenaje Menor (CORASCO, 2008)

b) Densidad del drenaje

Este índice permite tener un mejor conocimiento de la complejidad y desarrollo del

sistema de drenaje de la cuenca. En general, una mayor densidad de escurrimientos

indica mayor estructuración de la red fluvial, o bien que existe mayor potencial de

erosión.

(CORASCO, 2008) Cita a Gregory and Walling (Op. Cit.), indicando que la densidad

de drenaje provee una liga entre los atributos de forma de la cuenca y los procesos

que operan a lo largo del curso de la corriente. Más precisamente, la densidad de

drenaje refleja controles topográficos, litológicos, pedológicos y vegetacionales,

además de incorporar la influencia del hombre.

La densidad de drenaje se calcula dividiendo la longitud total de las corrientes de la

cuenca por el área total que las contiene:

𝑫𝒅 =𝑳

𝑨 (ec.3)

Dónde:

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

en Km.

A: Área de la cuenca en Km2.

La densidad de drenaje varía inversamente con la extensión de la cuenca. Con el

fin de catalogar una cuenca bien o mal drenada, analizando su densidad de drenaje,

se puede considerar que valores de Dd próximos a 0.5 km/km2 o mayores indican

la eficiencia de la red de drenaje.

La red de drenaje toma sus características, influenciada por las lluvias y la

topografía. Por esto se tiene que para un valor alto de Dd corresponden grandes

volúmenes de escurrimiento, al igual que mayores velocidades de desplazamiento

de las aguas, lo que producirá ascensos de las corrientes.

19

En períodos de estiaje se esperan valores más bajos del caudal en cuencas de alta

densidad de drenaje y de fuertes pendientes, mientras que en cuencas planas y de

alta densidad de drenaje, se espera estabilidad del régimen de caudales, debido al

drenaje sub superficial y al aporte subterráneo.

La siguiente tabla muestra las clases de densidad de drenaje.

Rangos de Densidad Clases

0.1 – 1.8 Baja

1.9 – 3.6 Moderada

3.7 – 5.6 Alta

Tabla 5. Clases de densidad de drenaje en una cuenca.

Fuente: Manual para la Revisión de Estudios Hidrotécnicos de Drenaje Menor (CORASCO, 2008)

D. Tipo de suelo

El tipo de suelo puede tener efecto considerable en las tasas de descarga del

hidrograma de escorrentía. El tipo de suelo afecta directamente la permeabilidad

del suelo y así la tasa de infiltración de lluvia. (CORASCO, 2008)

a) Clasificación del suelo según SUCS

El Sistema de Clasificación Unificado de Casagrande es el de mayor aceptación

mundial y se ha ido consolidando. Fue ideado por el Dr. A. Casagrande en la

Universidad de Harvard, en 1942, quien originalmente lo creó como un sistema de

clasificación de materiales para aeropuertos. Rápidamente, el Cuerpo de Ingenieros

del Ejército Norteamericano lo adoptó y le hizo algunas modificaciones para

generalizarlo y así poder utilizarlo en cualquier proyecto o programa de trabajo.

(Cañaveral Ortega, s.f.)

Una primera clasificación divide a los suelos en dos grandes fracciones. Esta se

basa en la cantidad de material que pasa por la malla Número 200. Si se retiene

más de la mitad del material en esta malla, se trata de un suelo de partículas

gruesas, y si pasa más de la mitad del material, lo clasificaremos como suelo de

partículas finas.

La clasificación de un suelo grueso, en arena o grava, depende de la cantidad de

material que pasa por la malla número 4. Si más de la mitad de la fracción gruesa

pasa por la malla número 4, se trata de una arena; en caso contrario, será una

grava.

20

Si el porcentaje de finos que pasa por la malla número 200 es menor del 5%, los

suelos gruesos vendrán designados por su buena o mala graduación. Se considera

que un suelo está bien graduado cuando los espacios dejados por los granos

grandes son ocupados por los más finos.

Si el porcentaje de finos que pasa por la malla número 200 en los suelos gruesos

fuera mayor de un 12%, éstos se clasificarían de acuerdo con el contenido y

naturaleza del material fino que los acompaña, ya sea limo o arcilla.

b) Clasificación del suelo según SCS

El método fue desarrollado utilizando datos de un gran número de pequeñas

cuencas experimentales El método del Servicio de Conservación de Suelos para

estimar el escurrimiento medio y máximo causado por una lluvia, está basado en

las investigaciones y metodologías desarrolladas por los hidrólogos del SCS en los

últimos 30 años. La ventaja de este método es poder predecir el escurrimiento

basado en datos de precipitación y características de los suelos, donde no existan

aforo de corrientes o datos hidrometeorológicos, que en general, son las áreas

donde se realizan las obras de conservación del suelo y del agua..

Utilizando las características texturales de los suelos (más de 3000) el SCS clasificó

a aquellos en cuatro grupos de acuerdo con sus características hidrológicas para

producir escurrimientos como se muestra en la Tabla 6. (Gámez Morales, 2010)

Grupo de

Suelo Descripción de las Características del Suelo

A Suelos con bajo potencial de escurrimiento, incluye arenas profundas con

muy poco limo y arcilla; también, suelo permeable con grava en el perfil

B

Suelos con moderadamente bajo potencial de escurrimiento. Son suelos

arenosos menos profundos y agregados que en el grupo A. Este grupo tiene

una infiltración mayor que el promedio cuando húmedo. Incluye suelos

migajones, arenosos ligeros y migajones limosos.

C

Suelos con moderadamente alto potencial de escurrimiento. Comprende

suelos someros y suelos con considerable contenido de arcilla, pero menos

que el grupo D. Este grupo tiene una infiltración menor que la promedio

después de saturación. Como por ejemplo suelos migajones arcillosos.

D

Suelos con alto potencial de escurrimiento. Por ejemplo, suelos pesados,

con altos contenidos de arcillas expandibles y suelos someros con

materiales fuertemente cementados.

Tabla 6. Clasificación del suelo de acuerdo a sus características hidrológicas.


21

E. Cobertura vegetal

En la cuenca suele haber diferentes tipos de uso del suelo. La vegetación forestal

influye en la cantidad de agua interceptada, en la infiltración y en el escurrimiento

superficial y subterráneo para el mantenimiento de la corriente en la estación seca.

El manejo de la cobertura vegetal es muy importante para minimizar la tasa de

escorrentía y el arrastre de sedimentos por unidad de superficie. (Gámez Morales,

2010)

Como la vegetación es clasificada de acuerdo con su porte, el tipo de vegetación

influye en la condición hidrológica y ella varía con el uso del terreno como se

muestra en la Tabla 7.

Uso del

suelo Condición Hidrológica

Pastos

Naturales

Pastos en condiciones malas, son dispersos, fuertemente pastoreados

con menos que la mitad del área total con cobertura vegetal. Pastos en

condiciones regulares, están moderadamente pastoreados con la mitad

o las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Pastos en

buenas condiciones, están ligeramente pastoreados y con más de las tres

cuartas partes del área total con cubierta vegetal.

Áreas

Boscosas

Áreas en condiciones malas, tienen árboles dispersos y fuertemente

pastoreados sin crecimiento rastrero. Áreas en condiciones regulares,

son moderadamente pastoreadas, y con algo de crecimiento rastrero.

Áreas en condiciones buenas, están densamente pobladas y sin

pastorear.

Pastizales

Mejorados

Pastizales mezclados con leguminosas sujetas a un cuidadoso sistema

de manejo de pastoreo, son como buenas condiciones hidrológicas.

Rotación de

Praderas

Praderas densas, moderadamente pastoreadas, usadas en una bien

planeada rotación de cultivos y praderas, son consideradas como que

están en buenas condiciones hidrológicas. Áreas con material disperso,

sobre pastoreados, son considerados como malas condiciones

hidrológicas.

Cultivos

Condiciones hidrológicas buenas se refiere a cultivos los cuales forman

parte de una buena rotación de cultivos (cultivos de escarda, praderas,

cultivos tupidos). Condiciones hidrológicas malas, se refiere a cultivos

manejados en base a monocultivos.

Tabla 7. Condición hidrológica del suelo según su uso.


22

3.1.1.2. Características meteorológicas de la cuenca

A. Precipitación

La precipitación es una parte importante del ciclo hidrológico y es responsable por

depositar agua fresca en el planeta. La precipitación es generada por las nubes,

cuando alcanzan un punto de saturación; en este punto las gotas de agua creciente

(o pedazos de hielo) se forman, que caen a la Tierra por gravedad.

Muchas obras de ingeniería civil son profundamente influenciadas por factores

climáticos, entre los que se destaca por su importancia las precipitaciones pluviales.

En efecto, un correcto dimensionamiento del drenaje garantiza la vida útil de una

carretera, una vía férrea, un aeropuerto.

El conocimiento de las precipitaciones pluviales extremas y el consecuente

dimensionamiento adecuado de los órganos extravasores de las represas

garantizarán su seguridad y la seguridad de las poblaciones y demás estructuras

que se sitúan aguas abajo de la misma. El conocimiento de las lluvias intensas, de

corta duración, es muy importante para dimensionar el drenaje urbano, y así evitar

inundaciones en los centros poblados. (Gámez Morales, 2010)

a) Intensidad

Es la cantidad de agua caída por unidad de tiempo. Lo que interesa particularmente

de cada tormenta, es la intensidad máxima que se haya presentado, ella es la altura

máxima de agua caída por unidad de tiempo. De acuerdo a esto la intensidad se

expresa así:

𝒊𝒎𝒂𝒙 = 𝑷

𝒕 (ec.4)

Donde:

imáx: intensidad máxima, en mm/hora.

P: precipitación en altura de agua, en mm.

t: tiempo, en horas.

23

b) Duración

Corresponde al tiempo que transcurre entre el comienzo y el fin de la tormenta. Aquí

conviene definir el período de duración, que es un determinado período de tiempo,

tomado en minutos u horas, dentro del total que dura la tormenta. Tiene mucha

importancia en la determinación de las intensidades máximas.

c) Frecuencia

Es el número de veces que se repite una tormenta, de características de intensidad

y duración definidas en un período de tiempo más o menos largo, tomado

generalmente en años. (Béjar, 2006)

B. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia

Las curvas intensidad – duración – frecuencia son un elemento de diseño que

relacionan la intensidad de la lluvia, la duración de la misma y la frecuencia con la

que se puede presentar, es decir su probabilidad de ocurrencia o el periodo de

retorno. (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, s.f.)

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

lluvia en el lugar de interés y seleccionar la lluvia más intensa de diferentes

duraciones en cada año, con el fin de realizar un estudio de frecuencia con cada

una de las series así formadas. Es decir, se deben examinar los hietogramas de

cada una de las tormentas ocurridas en un año y de estos hietogramas elegir la

lluvia correspondiente a la hora más lluviosa, a las dos horas más lluviosas, a las

tres horas y así sucesivamente. Con los valores seleccionados se forman series

anuales para cada una de las duraciones elegidas. Estas series anuales están

formadas eligiendo, en cada año del registro, el mayor valor observado

correspondiente a cada duración, obteniéndose un valor para cada año y cada

duración.

Cada serie se somete a un análisis de frecuencia, asociando modelos

probabilísticas. Así se consigue una asignación de probabilidad para la intensidad

de lluvia correspondiente a cada duración, la cual se representa en un gráfico (figura

5) único de intensidad vs. duración, teniendo como parámetro el período de retorno.

24

Figura 5. Curva Intensidad-Duración-Frecuencia

Fuente: Manual de Instrucciones, Estudios Hidrológicos (PROYECTO HIDROMETEOROLOGICO

CENTROAMERICANO, 1972)

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

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

la digitación de la información, la contrastación y verificación de los valores leídos

con los registros pluviométricos cercanos y el análisis de las tormentas registradas

para encontrar los máximos valores registrados para cada una de las duraciones

seleccionadas.

3.1.2. DETERMINACION DEL CAUDAL

3.1.2.1. Método Racional

En nuestro país es muy frecuente que se necesite calcular la crecida máxima en

algún punto de una cuenca y que no existan registros de aforo de esos eventos. Sin

embargo hay registros de precipitaciones más o menos largos, que nos permiten

relacionar la lluvia con el escurrimiento. (Ayestas, 1994).

Existen varios modelos para la solución de estos problemas, uno de ellos muy

conocido y posiblemente el modelo más antiguo de la relación lluvia-escurrimiento

es el Método Racional. Su origen se remonta a 1851 o 1889, de acuerdo con

diversos autores. Este modelo toma en cuenta, además del área de la cuenca, la

altura o intensidad de la precipitación y es ha sido muy utilizado, particularmente en

el diseño de drenajes urbanos.

25

Supóngase que en una cuenca impermeable se hace caer uniformemente una lluvia

de intensidad constante durante un largo tiempo. Al principio el gasto que sale de la

cuenca será creciente con el tiempo, pero llegara un momento en el que se alcance

un punto de equilibrio, es decir en el que el volumen que entra por unidad de tiempo

por la lluvia sea el mismo que el gasto de salida de la cuenca.

El tiempo que transcurre entre el inicio de la lluvia y el establecimiento del gasto de

equilibrio se denomina tiempo de concentración y equivale al tiempo que tarda el

agua en pasar del punto más alejado hasta la salida de la cuenca.

En una cuenca no impermeable, solo una parte de la lluvia con intensidad I escurre

directamente hasta la salida. Si se acepta que durante la lluvia o al menos una vez

que se ha establecido el gasto de equilibrio, no cambia la capacidad de infiltración

en la cuenca, puede escribirse la fórmula racional.

𝑸 = 𝟎. 𝟐𝟕𝟕𝟖 𝑪𝑰𝑨 (ec.5)

Donde:

Q: Gasto máximo en m3/s.

C: Coeficiente de escorrentía.

A: Área en Km2

0.2778: Factor de conversión de unidades.

I: Intensidad en mm/h

Este modelo debe utilizarse en cuencas pequeñas que no exceden los 5 Km2 y

sobre todo se aplicará en hidrología urbana. Si la cuenca excede esta cantidad

deberá recurrirse a otros métodos por ejemplo el tránsito de avenidas, que se auxilia

del Método Racional y del Hidrograma Triangular Sintético.

El coeficiente de escorrentía puede estimarse aplicando varios métodos conocidos

como el expuesto a continuación. Debe tenerse cuidado en esta estimación debido

a que se puede dar resultados absurdos.

Para el cálculo de la intensidad de la lluvia pueden aplicarse deferentes fórmulas o

bien gráficamente mediante las Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF). En

nuestro país estas curvas se obtienen de INETER.

El área se calcula por planimetración, geométricamente, con cuadriculas y utilizando

software.

26

A. Coeficiente de Escorrentía

El coeficiente C de escorrentía define la proporción de la componente superficial de

la precipitación de intensidad I, y depende de la razón entre la precipitación diaria

correspondiente al período de retorno y el umbral de escorrentía a partir del cual se

inicia ésta. (CORASCO, 2008).

El coeficiente de escorrentía "C" en la formula Racional es también dependiente de

la característica del suelo. El tipo y condición de suelo determina su habilidad para

absorber la precipitación. La tasa a la cual un suelo absorbe la lluvia continua por

un extendido un periodo de tiempo. La tasa de infiltración de suelo es influenciada

por la presencia de humedad (precipitación antecedente), la intensidad de lluvia, la

proximidad del nivel freático del agua subterránea, el grado de compactación del

suelo, la porosidad del subsuelo, y pendientes del suelo.

Debe ser anotado que el coeficiente de escorrentía "C" es la variable del Método

Racional cual es menos susceptible para determinación precisa. Un coeficiente

razonable debe ser escogido para representar los efectos integrados de infiltración,

depresiones de almacenaje de superficie, evaporación, retención, ruteo de flujo e

intercepción, todo de cuyo efecto de distribución de tiempo y tasa pico de

escorrentía.

Para áreas rurales se sugiere usar la siguiente tabla, en que:

𝑪 = 𝟏 − 𝚺 𝑪′ (ec.6)

Parámetro Valores de C’

Topografía

Plano, pendiente 0.2 – 0.6 m/km 0.3

Moderada, pendiente 3 – 4 m/km 0.2

Colinas, pendiente 30 – 60 m/km 0.1

Suelo

Arcilla compacta impermeable 0.1

Combinación de limo y arcilla 0.2

Suelo limo-arenoso no muy compacto 0.4

Cubierta vegetal

Terrenos cultivados 0.1

Bosques 0.2

Tabla 8. Deducciones de la unidad para obtener C’ en áreas rurales

Fuente: Manual de instrucciones, estudios hidrológicos. (PROYECTO HIDROMETEOROLOGICO

CENTROAMERICANO, 1972)

27

B. Tiempo de concentración

Es el tiempo transcurrido entre el final del hietograma de excesos y el final del

escurrimiento directo. (CORASCO, 2008)

Además se puede definir como el tiempo que demora en viajar una partícula de

agua desde el punto más remoto hasta el punto de interés. Corresponde al lapso

entre el final de la lluvia y el momento en que cesa el escurrimiento superficial.

Existen una serie de fórmulas que permiten el cálculo de este tiempo desarrolladas

por diversos autores. Algunas de las fórmulas que se emplean para el cálculo de

este tiempo son las siguientes:

Kirpich: Aplicable a cuencas pequeñas de agricultura, con áreas menores de 80

ha.

𝑻𝒄 =𝟎. 𝟎𝟔𝟔𝟐𝟖𝑳𝟎.𝟕𝟕

𝑺𝟎.𝟑𝟖𝟓 (ec.7)

Donde:

Tc: Tiempo de concentración, en horas.

L: Longitud del rio principal desde la divisoria hasta la descarga, en kilómetros.

S: Pendiente entre las elevaciones máxima y mínima, en metros por metros.

Temez:

𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟏𝟐𝟔(𝑳

𝑺𝟎.𝟑𝟓)𝟎.𝟕𝟓 (ec.8)

Pasini:

𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟑 ∗ (𝑨 ∗𝑳

𝑺)𝟎.𝟓 (ec.9)

Pizarro:

𝑻𝒄 = 𝟏𝟑. 𝟓𝟒𝟖(𝑳𝟐

𝑺)𝟎.𝟕𝟕 (ec.10)

Para el caso de cuencas pequeñas, en Nicaragua se ha venido aplicando, la fórmula

propuesto por el Ing. Eduardo Basso, el método del Proyecto Hidrometeorológico

Centroamericano (PHCA).

28

𝒕𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒𝟏 ∗ (𝟑. 𝟐𝟖 ∗ 𝑳

√𝒔𝒄

)𝟎.𝟕𝟕 (ec.11)

Donde:

Tc: Tiempo de concentración (min)

L: Longitud del cauce principal en (m) S: Pendiente del cauce principal (m/m)

A: Área de la cuenca (Km2)

H: Diferencia de alturas (m)

C. Periodo de retorno

El número de años en que en promedio, se presenta un evento se llama periodo de

retorno, intervalo de recurrencia o simplemente frecuencia y se acostumbra a

denotarlo por la letra T. Así por ejemplo, el periodo de retorno de la precipitación

máxima en 24 horas de 500 mm es de 25 años, cuando en promedio, se presenta

una precipitación de esa magnitud o mayor una vez cada 25 años. (Gámez Morales,

2010)

Algunos autores sugieren que el periodo de retorno varía de acuerdo a la obra

hidráulica a realizar, como se muestra en la tabla 9.

Obra Hidráulica Período de Retorno

(años)

Caja puente y alcantarillas 25

Cauces principales naturales o artificiales 50 a 100

Cauces secundarios naturales o artificiales, en caso de

no exceder su caudal de 10m3/s 10


exceder su caudal de 10m3/s 25

Micropresas 50 a 100

Drenajes longitudinales, cunetas y contracunetas 5 a 10

Tabla 9. Períodos de retorno recomendados para diseño de obras hidráulicas.

Fuente: Reglamento de drenaje pluvial para el municipio de Managua. (ALMA, 2012)

29

3.2. ESTUDIO HIDRÁULICO

3.2.1. CANALES ABIERTOS

Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. De

acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial.

3.2.1.1. Clasificación de canales abiertos

A. Canales naturales

Los canales naturales incluyen todos los cursos de agua que existen de manera

natural en la Tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos

(Imagen 5) en zonas montañosas, hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y

grandes y estuarios de mareas.

Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares.

En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente

consistentes con las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las

condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante el

tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Un estudio completo sobre el

comportamiento del flujo en canales naturales requiere el conocimiento de otros

campos, como hidrología, geomorfología, transporte de sedimentos, etc. Éste

constituye, de hecho, un tema de estudio por sí mismo, conocido como hidráulica

fluvial.

Imagen 5. Río Chiquito, León

Fuente: El Nuevo Diario. (Lara, Persiste

contaminación en río Chiquito de León, 2011)

Imagen 6. Cauce El Dorado, Managua Fuente: El Nuevo Diario. (Lara, Cauces

“crucificados” por tuberías de aguas servidas,

2015)

30

B. Canales artificiales

Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el

esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas,

canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje (Imagen 6), vertederos,

canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, etc.

así como canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos

experimentales.

Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel

deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La aplicación de

las teorías hidráulicas a canales artificiales producirá, por lo tanto, resultados

bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente

exactos para propósitos prácticos de diseño.

3.2.1.2. Geometría de un canal

Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo

constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no

prismático, por ejemplo, un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo.

A. Secciones transversales de un canal

Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a menudo

varían desde aproximadamente una parábola hasta aproximadamente un trapecio.

Para corrientes sujetas a crecientes frecuentes, el canal puede constar de una

sección principal del canal que conduce los caudales normales y una o más

secciones laterales de canal para acomodar los caudales de desborde.

Los canales artificiales a menudo se diseñan con secciones de figuras geométricas

regulares. El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin

recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad. El

rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el

rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos

con materiales estables, como mampostería, roca, metal, o madera. La sección

triangular sólo se utiliza para pequeñas acequias, cunetas a lo largo de carreteras y

trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y

alcantarillas de tamaños pequeño y mediano. (Chow, 1994)

31

B. Elementos geométricos de una sección de canal

Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden

ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo.

(Ver figura 6).

Para secciones regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse

matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de

la sección, pero para secciones complicadas y secciones de corrientes naturales,

no se pueden escribir una ecuación simple para expresar estos elementos, pero

pueden prepararse curvas que representen la relación entre estos elementos y la

profundidad de flujo para uso en cálculos hidráulicos. (Marín Cordova, Menjívar

Leonardo, & Zavaleta Linares, 2012). (Ver figura 53).

Figura 6. Elementos geométricos de la sección tranversal de un canal

Fuente: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN CANAL HIDRÁULICO DE PENDIENTE VARIABLE

PARA USO DIDACTICO E INVESTIGACIÓN. (Marín Cordova, Menjívar Leonardo, & Zavaleta

Linares, 2012)

a) Profundidad del flujo o tirante (y)

Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la

superficie libre, la profundidad de flujo de la sección es la profundidad de flujo

perpendicular a la dirección de éste, o la altura de la sección del canal que contiene

el agua.

b) Nivel

Es la elevación o distancia vertical desde un nivel de referencia o “datum” hasta la

superficie libre, no obstante, si el punto más bajo de la sección de canal se escoge

como el nivel de referencia, el nivel es idéntico a la profundidad de flujo.

32

c) Ancho superficial (T)

Es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.

d) Área mojada (A)

Es el área de la sección transversal del flujo perpendicular a la dirección de flujo.

e) Perímetro mojado (P)

Es la longitud de la línea de intersección de la superficie de canal mojada y de un

plano transversal perpendicular a la dirección de flujo.

f) Radio hidráulico (R)

Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado.

𝑹 = 𝑨

𝑷 (ec.12)

g) Profundidad hidráulica o tirante hidráulico (D)

Es la relación entre el área mojada y el ancho en la superficie.

𝑫 = 𝑨

𝑻 (ec.13)

3.2.1.3. Consideraciones de diseño

A. Velocidad máxima permisible

La velocidad máxima permisible o velocidad no erosionante es la mayor velocidad

promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal. Esta velocidad es muy

incierta y variable, y sólo puede estimarse con base en experiencia y criterio. En

general, los canales viejos y que han soportado muchos periodos hidrológicos

permiten velocidades mucho más altas que los canales nuevos, debido a que un

lecho viejo a menudo se encuentra mejor estabilizado, en particular con la

sedimentación de material coloidal. Cuando otras condiciones son iguales, un canal

más profundo conducirá el agua con una velocidad media más alta sin erosión que

un canal poco profundo. Es probable que esto se deba a que la socavación

primordialmente es causada por las velocidades cerca del fondo y, para la misma

33

velocidad media, las velocidades cercanas al fondo son mayores en canales menos

profundos.

En 1915, Etcheverry publicó tal vez la primera tabla de velocidades medias máximas

seguras contra erosión. En 1925, Fortier y Scobey publicaron la muy conocida tabla

de “Velocidades permisibles en canales”, que se muestra en la Tabla 10. Los valores

mostrados en esta tabla corresponden a canales por los que han pasado muchos

periodos hidrológicos, colocados en pequeñas pendientes y para profundidades de

flujo menores que 3 pies. La tabla también muestra los valores de n apropiados para

diferentes materiales y los valores convertidos para las fuerzas tractivas permisibles

correspondientes.

Material n

Agua limpia

Agua que

transporta limos

coloidales

V,

pies/s

τ0,

lb/pie2

V,

pies/s

τ0,

lb/pie2

Arena fina coloidal 0.020 1.50 0.027 2.50 0.075

Marga arenosa no coloidal 0.020 1.75 0.037 2.50 0.075

Marga limosa no coloidal 0.020 2.00 0.048 3.00 0.11

Limos aluviales no coloidales 0.020 2.00 0.048 3.50 0.15

Marga firme ordinaria 0.020 2.50 0.075 3.50 0.15

Ceniza volcánica 0.020 2.50 0.075 3.50 0.15

Arcilla rígida muy coloidal 0.025 3.75 0.260 5.00 0.46

Limos aluviales coloidales 0.025 3.75 0.260 5.00 0.46

Esquistos y subsuelo de arcilla dura 0.025 6.00 0.600 6.00 0.67

Grava fina 0.020 2.50 0.075 5.00 0.32

Marga gradada a cantos rodados,

no coloidales 0.030 3.75 0.038 5.00 0.66

Limos gradados a cantos rodados

coloidales 0.030 4.00 0.043 5.50 0.80

Grava gruesa no coloidal 0.025 4.00 0.300 6.00 0.67

Cantos rodados y ripios de cantera 0.035 5.00 0.910 5.50 1.10

Tabla 10. Velocidades máximas permisibles recomendadas por Fortier y Scobey

Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)

B. Velocidad mínima permisible

La velocidad mínima permisible o velocidad no sedimentante es la menor velocidad

que no permite el inicio de la sedimentación y no induce al crecimiento de plantas

acuáticas y de musgo. Esta velocidad es muy incierta y su valor exacto no puede

34

determinarse con facilidad. Para aguas que no tengan cargas de limos o para flujos

previamente decantados, este factor tiene una pequeña importancia excepto por su

efecto en el crecimiento de plantas. En general puede adoptarse una velocidad

media de 2 a 3 pie/s cuando el porcentaje de limos presente en el canal es pequeño,

y una velocidad media no inferior a 2.5 pie/s prevendrá el crecimiento de vegetación

que disminuirá seriamente la capacidad de transporte del canal.

C. Material y revestimiento no erosionable

Los materiales no erosionables utilizados para formar el revestimiento de un canal

o cuerpo de un canal desamable, incluye concreto, mampostería, acero, hierro

fundido, madera, vidrio, plástico, etc. La selección del material depende sobre todo

de la disponibilidad y el costo de éste, el método de construcción y el propósito para

el cual se utilizará el canal.

El propósito del revestimiento de un canal en artificial, en la mayor parte de los

casos, es prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser el de evitar las

pérdidas de agua por infiltración. En canales artificiales revestidos, la velocidad

máxima permisible, es decir, la velocidad máxima que no causará erosión, puede

no considerarse siempre y cuando el agua no transporte arena, grava o piedras. Si

van a existir velocidades muy altas sobre el revestimiento, sin embargo, deber

recordarse que existe una tendencia en el agua que se mueve muy rápidamente de

mover los bloques del revestimiento y empujarlos por fuera de su posición. Por

consiguiente, el revestimiento debe diseñarse contra estas posibilidades.

D. Pendientes del canal

La pendiente longitudinal del fondo de un canal por lo general está dada por la

topografía y por la altura de energía requerida para el flujo de agua. En muchos

casos, la pendiente también depende del propósito del canal; por ejemplo, los

canales utilizados para propósitos de distribución de aguas, como los utilizados en

irrigación, abastecimientos de agua, minería hidráulica y proyectos hidroeléctricos

requieren un alto nivel en el punto de entrega. Por consiguiente, es conveniente una

pendiente pequeña para mantener en el mínimo posible las pérdidas en elevación.

Las pendientes laterales de un canal dependen principalmente de la clase de

material, como se muestra en la Tabla 11. Sin embargo, para un material

erosionable, una determinación de las pendientes laterales debe verificarse con el

criterio de la máxima velocidad permisible o mediante el principio de la fuerza

tractiva. Otros factores que deben considerarse para determinar las pendientes

laterales son el método de construcción, la condición de pérdidas por infiltración, los

35

cambios climáticos, el tamaño del canal, etc. En general, las pendientes laterales

deben hacerse tan empinadas como sean factibles y deben diseñarse de acuerdo

con una alta eficiencia y estabilidad hidráulica.

Material Pendiente lateral

Roca Aproximadamente vertical

Estiércol y suelos de turba ¼ : 1

Arcilla rígida o tierra con recubierta de concreto ½ : 1 a 1:1

Tierra con recubiertos de piedras o tierras en

canales grandes 1 : 1

Arcilla firme o tierra en canales pequeños 1 ½ : 1

Tierra arenosa suelta 2 : 1

Marga arenosa o arcilla porosa 3 : 1

Tabla 11. Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en diferentes clases

de materiales.


E. Borde libre

El borde libre de un canal es la distancia vertical desde la parte superior del canal

hasta la superficie del agua en condición de diseño. Esta distancia debe ser lo

suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del

agua causen reboses por encima de los lados. Este factor se vuelve muy importante

en especial en el diseño de canaletas elevadas debido a que la subestructura de

éstos puede ponerse en peligro por cualquier rebose.

No existe una regla universal aceptada para el cálculo del borde libre debido a que

la acción de las ondas o de las fluctuaciones en la superficie del agua de un canal

puede crearse por muchas causas incontrolables. Ondas pronunciadas y

fluctuaciones en la superficie del agua por lo general se esperan en canales donde

la velocidad es muy alta y la pendiente es muy empinada, de tal manera que el flujo

se vuelve muy inestable, o en curvas donde la alta velocidad y el ángulo de deflexión

puede causar superficies de agua con superelevaciones apreciables en el lado

convexo de la curva, o en canales donde la velocidad del flujo se aproxima al estado

crítico para el cual el agua puede fluir con sus dos profundidades alternas y saltar

desde el nivel más bajo al nivel más alto por cualquier pequeña obstrucción. Otras

causas naturales como el movimiento del viento y la acción de mareas también

pueden inducir ondas altas que requieren una consideración especial en el diseño.

36

En el diseño es común el uso de bordes libres que varían desde menos del 5% a

más del 30% de la profundidad del flujo.

F. Sección hidráulica más eficiente

Se sabe que la conductividad del canal se incrementa con el aumento del radio

hidráulico o la disminución del perímetro mojado. Desde un punto de vista hidráulico,

por consiguiente, la sección del canal que tenga el menor perímetro mojado para un

área determinada tiene la máxima conductividad; tal sección se conoce como la

sección hidráulica óptima. Dentro de todas las secciones el semicírculo tiene el

menor perímetro mojado para un área determinada; por consiguiente es la sección

hidráulicamente más eficiente.

Figura 7. Secciones hidráulicas más eficientes


G. Ecuación de Manning

En 1889 el ingeniero irlandés Robert Manning presentó una ecuación, la cual se

modificó más adelante hasta llegar a su bien conocida forma actual.

𝑽 = 𝟏. 𝟒𝟗

𝒏 𝑹

𝟐𝟑⁄ 𝑺

𝟏𝟐⁄ (ec.14)

Donde:

V: velocidad media en pies/s

37

R: radio hidráulico en pies

S: es la pendiente de la línea de energía

n: coeficiente de rugosidad

Al aplicar la ecuación de Manning, la mayor dificultad está en la determinación del

coeficiente de rugosidad n, ya que no existe un método exacto para la selección del

valor de n.

H. Factores que afectan el coeficiente de rugosidad de Manning

No es raro que los ingenieros piensen que un canal tiene un valor único de n para

todas las ocasiones. En realidad, el valor de n es muy variable y depende de un

cierto número de factores. Para seleccionar el valor de n apropiado para diferentes

condiciones de diseño, resulta muy útil tener un conocimiento básico de estos

factores.

a) Rugosidad superficial

La rugosidad superficial se representa por el tamaño y la forma de los granos del

material que forman el perímetro mojado y que producen un efecto retardador del

flujo.

b) Vegetación

La vegetación puede considerarse como una clase de rugosidad superficial, pero

también reduce de manera notable la capacidad del canal y retarda el flujo. Este

efecto depende por completo de la altura, la densidad, la distribución y del tipo de

vegetación, y es muy importante en el diseño de pequeños canales de drenaje.

c) Irregularidad del canal

Las irregularidades del canal incluyen irregularidades en el perímetro mojado y

variaciones en la sección transversal, tamaño y forma de esta a lo largo de canal.

En canales naturales, tales irregularidades por lo general son producidas por la

presencias de barras de arenas, ondas de arena, crestas y depresiones y fosos y

montículos en el lecho de del canal.

d) Alineamiento del canal

Curvas suaves con radios grandes producirán valores de n relativamente bajos, en

tanto que curvas bruscas con meandros severos incrementaran el n.

38

e) Sedimentación y Socavación

En general, la sedimentación puede cambiar un canal muy irregular en un canal

relativamente uniforme y disminuir el n, en tanto que la socavación puede hacer lo

contrario e incrementar el n.

f) Obstrucción

La presencia de obstrucciones de tronco, pilas de puente y estructuras similares

tienden a incrementar el n. La magnitud de este aumento depende de la naturaleza

de las obstrucciones, de su tamaño, forma, número y distribución.

g) Tamaño y Forma del canal

No existe evidencia definitiva acerca del tamaño y la forma del canal como factores

importantes que afecten el valor de n. Un incremento en el radio hidráulico puede

aumentar o disminuir el n, según la condición del canal.

h) Nivel y Caudal

En la mayor parte de las corrientes el valor de n disminuye con el aumento en el

nivel y el caudal. Cuando el agua es poco profunda, las irregularidades del fondo

del canal quedan expuestas y sus efectos se vuelven pronunciados. Sin embargo,

el valor del n puede ser grande en niveles altos si las bancas están cubiertas por

pastos o son rugosas.

I. Método de Cowan para evaluar el coeficiente de Manning

A partir del reconocimiento de varios factores primordiales que afectan el coeficiente

de rugosidad, Cowan desarrolló un procedimiento para estimar el valor de n.

Mediante este procedimiento, el valor de n puede calcularse por

𝒏 = (𝒏𝟎 + 𝒏𝟏 + 𝒏𝟐 + 𝒏𝟑 + 𝒏𝟒)𝒎𝟓 (ec.15)

Donde n0 es un valor básico de n para un canal recto, uniforme y liso en los

materiales naturales involucrados, n1 es un valor que debe agregarse al n0 para

corregir el efecto de las rugosidades de las superficies, n2 es un valor para

considerar las variaciones en forma y tamaño de la sección transversal del canal, n3

es un valor para considerar las obstrucciones, n4 es un valor para considerar la

vegetación y las condiciones de flujo, m5 es un factor de corrección de los efectos

39

por meandros en el canal. Los valores apropiados de n0 a n4 y m5 pueden

seleccionarse en la tabla 12 de acuerdo a las condiciones dadas.

Condiciones del canal Valores

Material

involucrado

Tierra

n0

0.020

Corte en roca 0.025

Grava fina 0.024

Grava gruesa 0.028

Grado de

irregularidad

Suave

n1

0.000

Menor 0.005

Moderado 0.010

Severo 0.020

Variaciones

de la sección

transversal

Gradual

n2

0.000

Ocasionalmente alternante 0.005

Frecuentemente alternante 0.010-0.015

Efecto

relativo de las

obstrucciones

Insignificante

n3

0.000

Menor 0.010-0.015

Apreciable 0.020-0.030

Severo 0.040-0.060

Vegetación

Baja

n4

0.005-0.010

Media 0.010-0.025

Alta 0.025-0.050

Muy alta 0.050-0.100

Grado de los

efectos por

meandros

Menor

m5

1.000

Apreciable 1.150

Severo 1.300

Tabla 12. Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad por el método de Cowan.


3.2.1.4. Modelación hidráulica del cauce en flujo variado con Hec Ras

HEC-RAS ayuda a modelar una variedad de puentes con diferentes formas de pilas

y estribos, y a calcular parámetros hidráulicos tales como: niveles de agua,

velocidades y áreas mojadas para diferentes caudales en el sitio de cierre. El

programa modela flujos bajos y altos. De acuerdo al caudal de escorrentía estimado

para el diseño, se puede determinar la estructura del puente más eficiente en cuanto

a capacidad hidráulica, así como también controlar algunos parámetros de diseño

hidráulico. HEC RAS la información geométrica necesaria para llevar a cabo una

simulación (cauce, secciones, etc.) (Lanza Mejía, 2012)

40

Para la modelación hidráulica de un cauce con una alcantarilla o puente se deberá

tener lo siguiente consideraciones:

• Levantamiento de las secciones transversales, aguas arriba como aguas

abajo.

• Determinación del coeficiente de rugosidad del cauce según el método de

Cowan.

• Definir los periodos de retorno en que se desea analizar el comportamiento

del cauce para un flujo permanente subcrítico, supercrítico o ambos.

• Definir el estacionamiento donde se ubicara la alcantarilla o puente.

El principal objetivo de HEC-RAS es el cálculo de los perfiles de flujo en todos los

puntos de interés para obtener un conjunto de datos (simulación del flujo uniforme),

o por una metodología hidrológica a través de un sistema de flujo no uniforme.

Los datos necesarios para los cálculos son divididos en las siguientes componentes:

A. Componente de Datos Geométricos.

Los datos geométricos consisten de establecer una conectividad del sistema de ríos

(esquema del sistema de ríos); datos de la sección transversal, la longitud del tramo,

los coeficientes de energía de pérdidas (perdidas por fricción, perdidas por

contracción y expansión) y la información de las conexiones de flujo en los tramos

del rio o cauce. Datos de la estructura de hidráulica (puentes, alcantarillas, caídas

hidráulicas, presa, etc.) que estén localizados en el tramo del rio o cauce.

a) Sistema esquemático del rio o Cauce

El sistema esquemático del rio es requerido para cualquier conjunto de datos

geométricos con el sistema de HEC-RAS. El sistema esquemático del rio es

desarrollado por un dibujo y conectados por varios tramos. Para comenzar a trabajar

con en HEC – RAS es necesario crear una ventana el esquema del rio o cauce de

tramo a tramo, para definir el extremo de aguas arriba como el extremo de aguas

debajo de esta forma introducir los datos geométricos de las secciones que

conforman el cauce o el rio. La conectividad de los tramos es muy importante en el

orden para el modelo comprenda el sistema de drenaje, así como los cálculos de

un tramo a otro. Es necesario que el dibujo del tramo sea de aguas arribas hacia

aguas abajo, dando así la dirección del flujo. La conexión de los tramos se hace a

través de una unión, esta solamente establece un punto localizado, donde uno más

flujo convergen o se dividen. (Lanza Mejía, 2012)

41

b) Secciones Transversales del Cauce

Las condiciones geométricas para el análisis de flujo en corrientes naturales son

especificadas en términos de la superficie del terreno de la sección transversal y las

distancia entre ellas. Las secciones transversales son localizadas a intervalos largos

en dependencia de la caracterización de la corriente (perfiles de flujo), tomando en

cuenta el flujo central del cauce y las planicies de inundación.

c) Secciones transversales con Flujo Inefectivo

Esta definición permite determinar áreas de la sección transversal con elevaciones

más bajas que las bancas del cauce o rio, que no contribuyen efectivamente a

transportar el agua en la sección transversal del cauce o rio, es decir, zonas de la

sección donde el agua se estanca, esto ocurre donde la elevación de la banca es

mayor que el nivel del agua en el cauce adyacente o poza como se muestra en la

Figura 8.

Figura 8. Áreas del flujo inefectivo.

Fuente: Manual de Hec Ras (Lanza Mejía, 2012)

d) Coeficientes de Contracción y Expansión

HEC-RAS, asume que la contracción ocurre cuando la carga de velocidad aguas

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

asume una expansión. Cuando el cambio de sección en cauce es pequeño y el flujo

es subcritico los coeficientes de contracción y de expansión pueden andar en el

42

orden de 0.1 y 0.3 respectivamente. Cuando el cambio es abrupto como el caso de

los puentes, los coeficientes de contracción y de expansión con frecuencia se usan

de 0.3 y 0.5. En ocasión, los coeficientes de contracción y expansión respecto a los

puentes y alcantarillas puede ser más alto, como 0.6 y 0.8 respectivamente. Estos

valores pueden ser cambiados en cualquier sección.

B. Componente de Datos Hidráulicos

a) Perfiles de Flujo Uniforme

En esta evaluación será a partir de perfiles de flujo uniforme unidimensional para

movimiento del flujo gradualmente variado en canales naturales y prismáticos. Los

perfiles de flujo calculados pueden ser crítico, subcrítico, supercrítico o una

combinación de estos, o sea las ecuaciones para perfiles de flujo, las subdivisiones

de la sección para el cálculo de los parámetros geométricos tales como: área,

perímetro mojado, etc., la determinación del coeficiente de Manning en el cauce

principal, la evaluación de las perdidas por fricción, perdidas por contracción y

expansión, determinación de la profundidad critica, aplicación de la ecuación de

Momentum y las limitaciones o condiciones del modelo del flujo uniforme.

3.2.1.5. Modelación de hidráulica de puente con Hec Ras

La función primordial de un puente es la de dar continuidad a la carretera, salvando,

para ello, los obstáculos naturales o artificiales que se encuentren en su trazado.

Esta obviedad cobra especial relevancia si el obstáculo a salvar es un cauce fluvial.

Hay que considerar que, en el caso de los cursos de agua, su equilibrio dinámico

se ve afectado no sólo por la interacción del hombre con acciones directas, -

construcción de presas, extracción de áridos, invasión del cauce, etc.-, sino también

de manera indirecta por los cambios en el balance hidrológico de la cuenca de

aportación, fundamentalmente debidos a la variación en los usos del suelo.

Entonces, la respuesta del cauce para recobrar su equilibrio consiste en adquirir

una pendiente de equilibrio que le proporcione la energía mínima necesaria para

transportar la carga. Este fenómeno natural se consigue mediante la erosión, el

transporte y la sedimentación. (Lanza Mejía, 2012).

CAPÍTULO 4 MARCO METODOLÓGICO

44

Para la realización del presente proyecto se abordaron 2 etapas cada una con fines

específicos ahora detallados.

1. Etapa de Evaluación del sistema existente.

En esta etapa se realizaron los estudios y recopilación de datos pertinentes para

determinar las condiciones en que trabaja actualmente la caja vehicular. Dentro de

ellos están los estudios de campo y los estudios de gabinete.

1.1. Estudios de Campo

1.1.1. Reconocimiento

Se realizaron visitas previas al sitio con el fin de recopilar datos generales del

entorno, como también dimensiones, estado y condiciones de servicio del cauce y

la caja vehicular. Se determinaron los sitios en los cuales se realizarían los sondeos

para estudios de suelo y también se delimitó la amplitud del levantamiento

topográfico de manera que éste genera la información que se necesaria para el

proyecto.

1.1.2. Levantamiento Topográfico

Debido a que no se contaba con levantamiento topográfico del cauce ni de la obra

de cruce, se procedió a realizarlo con las especificaciones dadas en el Manual para

Revisión de Obras de Drenaje Mayor del MTI. Este indica que para la revisión de

obras de cruce basta con realizar u obtener el levantamiento topográfico de 200

metros aguas arriba de la obra y 200 metros aguas abajo, del cual se extraerían

secciones transversales del canal a cada 20 metros, sin embargo se consideró que

en algunas zonas debido a su sinuosidad era necesario realizarlas a menor

distancia.

1.1.3. Estudios de suelo

Dado que el área ha sido poco estudiada no se han realizado estudios de suelo en

el cauce, por lo que se procedió a realizarlos en los sitios determinados en las visitas

previas, con el fin de conocer el tipo de suelo predominante en el sitio.

Las muestras de suelo se tomaron de las calicatas excavadas a 30 y 100 metros,

ambas aguas arriba de la obra de cruce y a 100 cm de profundidad, con el fin de

obtener resultados más amplios a lo largo del cauce natural. Dichas muestras se

llevaron al laboratorio para analizarse y así determinar el tipo de suelo existente.

45

1.2. Estudios de Gabinete

1.2.1. Procesamiento de datos obtenidos en estudios de campo

Posterior a la realización del levantamiento topográfico se procedió a generar las

secciones transversales y el perfil longitudinal del cauce en estudio con ayuda del

Software Autocad Civil 3D. A su vez se realizó por medio de pruebas de laboratorio

la clasificación del suelo presente en el fondo del canal.

Para esto, primeramente se realizó una clasificación granulométrica del suelo para

tener una previa tipificación de éste de acuerdo a la uniformidad y textura del mismo.

Posteriormente para tener una clasificación más precisa y conocer las propiedades

mecánicas, se determinaron los límites de consistencia de Atterberg donde se

fijaron los Límites Líquido y Plástico. Este procedimiento se llevó a cabo basado en

el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) propuesto inicialmente por

Arturo Casagrande.

1.2.2. Estudio Hidrológico

Se realizó el estudio de la micro cuenca correspondiente al cauce y punto de interés

(caja vehicular) con ayuda del Software Arc GIS y las herramientas HMS las cuales

permiten una delimitación más precisa del área que aporta al flujo del cauce. Con

esta información y otros datos obtenidos anteriormente se calculó el caudal que

transita por la obra.

1.2.3. Estudio Hidráulico

Obtenido el caudal y con ayuda del Software HEC-RAS se realizó un análisis

hidráulico de la obra existente, determinando así el nivel crítico del flujo a lo largo

del cauce, en la entrada y la salida de la caja vehicular.

2. Etapa de Solución a la problemática presentada.

En esta etapa posterior a los estudios y determinando cuales son las posibles

causas del mal funcionamiento de la obra, se presentan propuestas de solución.

2.1. Propuestas o Alternativas de Solución

2.1.1. Ampliación del cauce.

2.1.2. Revestimiento del cauce.

2.1.3. Construcción de disipadores de energía.

2.1.4. Rediseño de la caja vehicular.

2.2. Análisis de propuesta seleccionada.

46

2.2.1 Presentación de Resultados

2.2.2 Estimación de presupuesto base.

3. Presentación de Conclusiones y Recomendaciones.

CAPÍTULO 5 RESULTADOS

48

5.1. ESTUDIO HIDROLÓGICO

La delimitación de la cuenca que aporta el flujo al cauce en estudio se realizó por

medio del software ArcGIS 9.3; en el cual se utilizó el Modelo de Elevación Digital,

DEM por sus siglas en inglés (Digital Elevation Model), como fundamento de

análisis. Por medio de la herramienta HEC-GeoHMS se logró delimitar con precisión

la cuenca de estudio (Ver Figura 9) y obtener sus características.

Figura 9. Cuenca hidrográfica en estudio


5.1.1. CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS DE LA CUENCA

5.1.1.1. Parámetros de forma

Con ayuda del Software ArcGIS 9.3 y la herramienta Arc GeoHMS se logró delimitar

la cuenca de estudio y conocer sus características y parámetros geométricos, los

cuales se muestran a continuación.

A. Área y Perímetro de la cuenca

La cuenca delimitada tiene un área aproximada de 0.91 km2 (91 ha) lo cual

clasificada según la Tabla 1, corresponde a una cuenca pequeña. El perímetro que

encierra la superficie es de 6.87 km. (Ver Figura 10).

49

Carácter Área (km2)

Pequeñas < de 50

Figura 10. Área y Perímetro de la cuenca.


B. Forma de la cuenca

La forma de la cuenca se determina con el índice de compacidad o coeficiente de

Gravelius y se calcula por medio de la ecuación 1.

𝐾 =0.28(6.87)

0.910.5= 2.02

Valores de “K” Tipos o clases de formas

De 1.51 a 1.75 De oval oblonga a rectangular oblonga

De la Tabla 2 podemos concluir que la forma de la cuenca varia de oval oblonga a

rectangular oblonga ya que si el valor de K se aleja de la unidad la cuenca es

alargada por lo tanto tendrá menos posibilidades de inundación, pues el

escurrimiento tardará más tiempo en llegar al punto de salida.

50

5.1.1.2. Parámetros del relieve

A. Altitud media

Para determinar la altitud media de la cuenca se construyó la curva hipsométrica

con ayuda del software ArcGIS, donde se identificó la altura máxima

correspondiente a 557 msnm y la mínima de 489 msnm, posteriormente se definió

el valor correspondiente al 50% de la curva como elevación media resultando 521

msnm.

Figura 11. Curva hipsométrica de la cuenca


B. Pendiente media

La pendiente media del cauce se calculó por medio del método de los valores

extremos, donde se determinaron las alturas máximas y mínimas del cauce para

luego dividirla entre la longitud de éste, utilizando la ecuación 2.

𝑆 =548 − 494

1950∗ 100 = 2.77%

De acuerdo a la Tabla 3 definimos que el terreno tiene una pendiente suave pues

se encuentra en el rango entre 2% y 5%.

Rangos de pendiente (%) Clases de terreno

2 – 5 Suave

50%, 521.0

480.0

490.0

500.0

510.0

520.0

530.0

540.0

550.0

560.0

570.0

0% 20% 40% 60% 80% 100%

CURVA HIPSOMETRICA

51

5.1.1.3. Parámetros del drenaje

A. Longitud del cauce principal

La longitud total del cauce corresponde a la extensión que recibe las aguas pluviales

provenientes de toda la cuenca delimitada desde la parte más lejano hasta el punto

de salida. Según la Tabla 4 el cauce en estudio se clasifica como Corto pues solo

tiene una extensión de 1.95 km hasta la caja vehicular o punto de cierre.

Rangos de longitud en kilómetros Clases de longitud del cauce

6.9 – 10.9 Corto

Figura 12. Cauce principal de la cuenca.


B. Densidad del drenaje

Este parámetro nos da una idea del sistema de drenaje que existe en la cuenca.

Entre mayor sea el índice, mayor probabilidad tendremos de erosión y reboses en

los canales.

Con ayuda de la ecuación 3, podemos determinar la densidad del drenaje en

nuestra cuenca de estudio.

𝐷𝑑 =1.95𝑘𝑚

0.91𝑘𝑚2= 2.14 𝐾𝑚/𝐾𝑚2

52

En los periodos secos cuando el caudal es mínimo, se espera que el flujo sea

constante debido a que la pendiente del cauce es suave y que existe una moderada

densidad de drenaje, esto basado en la Tabla 5.

Rangos de Densidad Clases

1.9 – 3.6 Moderada

5.1.1.4. Tipo de suelo

El suelo es un factor determinante en el análisis de cualquier cuenca hidrográfica,

pues la cantidad de lluvia que se infiltra en el subsuelo y el exceso de la misma que

circula sobre la superficie de la tierra, dependen de la permeabilidad del suelo que

varía directamente según su clasificación.

De acuerdo a (INETER, 2015) el tipo de suelo que predomina en el municipio de

Jinotepe corresponde a las órdenes de Andisoles y Molisoles y a las sub órdenes

Vitrands (DF) y Ustolls (IG) respectivamente. (Ver figura 55).

La sub orden Vitrands se caracteriza por presentar una textura franca arenosa,

franca y franca arcillosa, con escurrimiento superficial lento a moderado y riesgo de

erosión es casi nulo a moderado; mientras que la sub orden Ustrolls corresponde a

suelos más secos y no pueden retener suficiente agua en periodos de poca lluvia.

A. Clasificación del suelo según SUCS

Para la clasificación del suelo que predomina en el sitio del proyecto se realizaron

sondeos manuales cuyas especificaciones se explican en la Metodología de esta

investigación, los cuales se analizaron en el Laboratorio de Ingeniería Julio y Adolfo

López de la Fuente (s.j.) de la Universidad Centroamericana (UCA) bajo sus normas

y manuales. (Ver en Anexo 7.4 los manuales).

Al realizar los estudios de granulometría podemos afirmar que las muestras

corresponden a suelo grueso pues más del 50% del material quedó retenido en la

malla # 200. (Ver tablas 20 y 21). Posterior a esto, se determinaron los Límites de

Atterberg (Límite Liquido y Límite Plástico) con ayuda de la Copa de Casagrande.

(Ver tabla 22).

Finalmente se concluyó que el suelo de la zona corresponde a Arena Arcillosa (Ver

tabla 23), suelo que permite la infiltración rápida de las precipitaciones pero no en

su totalidad pues su porcentaje de arcilla aporta a la escorrentía superficial. Estos

suelos al poseer poca materia orgánica no son aptos para la agricultura.

53

B. Clasificación del suelo según SCS

Conociendo que el suelo es Arena Arcillosa podemos determinar ahora su potencial

hidrológico para producir escurrimiento, esto con ayuda de la Tabla 6.

Grupo de

Suelo Descripción de las Características del Suelo

B

Suelos con moderadamente bajo potencial de escurrimiento. Son suelos

arenosos menos profundos y agregados que en el grupo A. Este grupo tiene

una infiltración mayor que el promedio cuando húmedo. Incluye suelos

migajones, arenosos ligeros y migajones limosos.

Según la clasificación del Servicio de Conservación del Suelo de los EEUU nuestro

suelo corresponde al grupo B, un suelo con alto porcentaje de infiltración, lo que nos

indica que el caudal que circula por la obra se verá reducido en comparación a

suelos más arcillosos.

5.1.1.5. Cobertura vegetal

La cobertura vegetal, es decir el uso que se le da a las tierras, al igual que el tipo de

suelo influye directamente en los niveles de escurrimiento superficial que se

presentarán en la cuenca y asimismo en el caudal máximo que circula por el punto

de interés.

De las visitas al sitio se determinó visualmente el uso del suelo. Se observó que en

su mayoría existía pasto natural y vegetación arbustiva, es decir, árboles de baja

altura. Debido a este tipo de vegetación, existe un alto grado de arrastre de

sedimentos que se deposita en el canal y la caja vehicular evitando la libre

circulación del agua y provocando el rebose de la misma.

Con la experiencia de campo podemos definir que la cobertura vegetal de la zona

abarca entre un 50% y 75% por ende según la Tabla 7 la condición hidrológica de

los pastos naturales es regular.

Uso del

suelo Condición Hidrológica

Pastos

Naturales

Pastos en condiciones malas, son dispersos, fuertemente pastoreados con

menos que la mitad del área total con cobertura vegetal. Pastos en

condiciones regulares, están moderadamente pastoreados con la mitad o

las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Pastos en buenas

54

condiciones, están ligeramente pastoreados y con más de las tres cuartas

partes del área total con cubierta vegetal.

5.1.2. CARACTERÍSTICAS METEOROLÓGICAS DE LA CUENCA

El caudal que circula por la caja vehicular depende en gran parte de la precipitación

que cae en toda la cuenca. De esta es importante conocer la intensidad y la

duración, pues a mayores cantidades de lluvia depositada en el suelo éste no podrá

absorberla por lo que circulará sobre la superficie y si la precipitación continúa o se

repite frecuentemente, el suelo estará saturado y producirá mayores escurrimientos

y por ende el caudal en el punto de control será aún mayor.

Los datos de precipitación necesarios para el estudio hidrológico de nuestra cuenca,

son los obtenidos en la estación pluviométrica Campos Azules ubicada en el

municipio de Masatepe, los cuales fueron brindados por INETER.

A partir de las intensidades máximas anuales de los años 1971 hasta el 2014 se

construyeron las curvas Intensidad-Duración-Frecuencia para esta estación (Ver

Figura 13), por medio del método de Distribución de Gumbel tipo I o Doble

Exponencial.

Figura 13. Curva IDF, Estación Masatepe


Al construir las curvas IDF, estas presentan ciertos errores, que deben ser

corregidos o ajustados para poder obtener datos más reales y precisos. El ajuste de

55

nuestra curva IDF los realizamos por medio del método de Smirnof y Kolmogorov,

resultando ésta como la mostrada en la Figura 14.

Figura 14. Curva IDF Ajustada, Estación Masatepe.


5.1.3. DETERMINACION DEL CAUDAL

Debido a que el área de la cuenca en estudio es menor a los 5 km2 se empleará el

método racional para calcular el caudal que circula por la caja vehicular, donde se

escogerá el caudal pico o de diseño. Para utilizar correctamente el método racional

se deben conocer algunos factores claves, como coeficiente de escorrentía,

intensidades máximas y el área de la cuenca.

5.1.3.1. Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía en la fórmula del método racional depende de las

características del suelo y se puede interpretar como el porcentaje de la

precipitación que logra circular por sobre la superficie.

Cabe señalar que este coeficiente es el más incierto de calcular, pues varía según

factores del suelo y se debe ser bastante analítico en la elección del mismo, pues

pueden resultar valores poco lógicos. Se deben tener claros los factores como

56

pendiente, tipo y uso del suelo de la cuenca a estudiar para poder determinar

correctamente el coeficiente de escorrentía.

(PROYECTO HIDROMETEOROLOGICO CENTROAMERICANO, 1972) Plantea la

Ecuación 6 para el cálculo del coeficiente de escorrentía que se adapta a

condiciones rurales, es por esto que se considera la más acertada en nuestra

investigación. Los factores a usarse en la ecuación se encuentran en la Tabla 8.

Parámetro Valores de C’

Topografía

Plano, pendiente 0.2 – 0.6 m/km 0.3

Moderada, pendiente 3 – 4 m/km 0.2

Colinas, pendiente 30 – 60 m/km 0.1

Suelo

Arcilla compacta impermeable 0.1

Combinación de limo y arcilla 0.2

Suelo limo-arenoso no muy compacto 0.4

Cubierta vegetal

Terrenos cultivados 0.1

Bosques 0.2

𝑪 = 𝟏 − (𝟎. 𝟑 + 𝟎. 𝟒 + 𝟎. 𝟏) = 𝟎. 𝟐

El valor del coeficiente de escorrentía hace referencia a que un 80% de la

precipitación se infiltrará debido a las diferentes condiciones que el suelo presenta,

mientras que solo un 20% se convertirá en escorrentía.

5.1.3.2. Tiempo de concentración

El tiempo de concentración se puede comprender como el lapso de tiempo que

transcurre desde la caída de la precipitación hasta su paso por el punto de cierre.

Existen diversas ecuaciones que permiten calcular el tiempo de concentración sin

embargo, debido a las características de la cuenca consideramos como más

pertinente la Ecuación del método del Proyecto Hidrometeorológico

Centroamericano (PHCA). (ec. 11).

𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒𝟏 (𝟑. 𝟐𝟖 ∗ 𝟏𝟗𝟓𝟎

√𝟎. 𝟎𝟐𝟕)

𝟎.𝟕𝟕

= 𝟏𝟒. 𝟎𝟒 𝒎𝒊𝒏

57

Según los datos obtenidos, la precipitación dilata alrededor de 14 minutos en circular

desde el punto más lejano de la cuenca hasta llegar a la caja vehicular, es decir una

vez finalizada la lluvia, aún habrá agua circulando durante 14 minutos más.

5.1.3.3. Periodo de retorno

El periodo de retorno es el intervalo de tiempo en que un evento de determinadas

características se vuelve a repetir. Para el diseño de cualquier obra de ingeniería se

consideran eventos de grandes magnitudes que pueden poner en riesgo la

integridad de la construcción, en el caso de obras de drenaje, estos eventos

extremos son las tormentas, huracanes o los inviernos más lluviosos en donde se

presentan las precipitaciones máximas en comparación al promedio de cada año.

En la Tabla 9 se presentan los periodos de retorno recomendados para los

diferentes tipos de obras que se van a diseñar, esto pues se considera que para

obras menores, se deben tomar en cuenta los eventos más recientes, mientras que

en obras de gran importancia, es necesario hacer un recuento más extenso de los

eventos que han afectado la zona.

Obra Hidráulica Período de Retorno

(años)

Caja puente y alcantarillas 25


no exceder su caudal de 10m3/s 10

Posterior a la elaboración de las curvas IDF, el cálculo del tiempo de concentración

y la elección de los periodos de retorno, se procedió a calcular las intensidades

correspondientes para dichas condiciones, las cuales se muestran en la Tabla 13.

Período de retorno Intensidades mm/h

10 años 117.98

25 años 129.68

50 años 138.75

Tabla 13. Intensidades para periodos de retorno.


5.1.4. Caudales de diseño

Una vez que se determinaron los factores necesarios, se puede aplicar la ecuación

del método racional (ec 5) para obtener los caudales a considerarse en el diseño.

58

Se estimaron caudales para los periodos de retorno de 10, 25 y 50 años, asumiendo,

10 años para el análisis del canal, 25 años para la revisión de la caja vehicular y 50

años como un dato máximo y así obtener un diseño más conservador, los cuales se

muestran en la Tabla 14.

Período de retorno Caudal de diseño

10 años 5.96 m3/s

25 años 6.56 m3/s

50 años 7.02 m3/s

Tabla 14. Caudales de diseño


5.2. ESTUDIO HIDRÁULICO

5.2.1. CLASIFICACIÓN DEL CANAL

El cauce en estudio se puede clasificar como un canal compuesto, pues posee a lo

largo de su extensión tanto características de canales naturales como también las

de canales artificiales (segmento revestido).

El canal natural corresponde a los primeros 200 metros del tramo de cauce en

estudio pues se ha ido formando con el pasar del tiempo debido a las aguas

pluviales y grises (en algunos casos) provenientes de los barrios del sector sur

oriental de la ciudad. No obstante, al realizar el primer diseño de la caja vehicular,

se decidió revestir un tramo del cauce de entrada, correspondiente a 25 m y 100 m

del cauce de salida, esto a base de mampostería de piedra cantera y una

terminación con mortero.

5.2.2. GEOMETRÍA DEL CANAL

En un canal natural es casi imposible definir la geometría de éste debido a la gran

variación y forma irregular de sus secciones y su perfil, lo que se hace en algunos

casos es comparar estas secciones irregulares con la más similar de condiciones

artificiales. En el caso del tramo revestido podemos determinar la geometría de sus

secciones transversales y así conocer su potencial hidráulico.

59

5.2.2.1. Secciones transversales del canal

Al no poseer un levantamiento topográfico previo, se procedió a realizar uno en base

a las necesidades del estudio. Con ayuda del software Autocad Civil 3D se procesó

la información recopilada para de esta manera construir una superficie y luego

extraer secciones transversales a cada 10 m, para poder determinar las zonas más

propensas a inundación. (Ver Planos A2 y A3).

5.2.2.2. Elementos geométricos de la sección del canal

Como antes se expuso, es imposible determinar elementos geométricos en

secciones naturales, es por eso que en la Tabla 15 se muestran las condiciones

geométricas únicamente del tramo revestido de nuestro cauce en estudio.

Elemento Geométrico Valor

Profundidad del flujo o tirante (y) 0.82 m

Ancho superficial (T) 2.06 m

Área mojada (A) 1.68 m2

Perímetro mojado (P) 3.70 m

Radio hidráulico (R) 0.46 m

Profundidad hidráulica (D) 0.82 m

Tabla 15. Elementos geométricos de secciones de canal.


5.2.3. MODELAMIENTO EN HEC RAS

Para realizar el análisis hidráulico del cauce y la caja vehicular se utilizó el software

Hec Ras en el cual se ingresaron los datos geométricos de las secciones

transversales anteriormente construidas en Autocad Civil 3D, así como los caudales

calculados para los periodos de retorno de 10, 25 y 50 años. Complementariamente

para realizar una simulación más precisa se asignaron condiciones de flujo

permanente asumiendo que el caudal es constante en el tiempo con un régimen

mixto, es decir variando entre subcrítico y supercrítico.

5.2.3.1. Datos considerados en el modelamiento

Desde Autocad Civil 3D se exportó la geometría del cauce y la caja vehicular, para

ingresarlos en Hec Ras junto con otros parámetros (Coeficiente de Manning,

pendiente) que permiten realizar una adecuada simulación.

60

A. Coeficiente de Manning

Debido a que el cauce está compuesto de un tramo natural y uno revestido, el

coeficiente de Manning varía de acuerdo a estas condiciones. Para el cálculo del

coeficiente en las secciones naturales aguas arriba se utilizó el Método de Cowan

(ec.15) para lo cual se consideraron los distintos factores de la Tabla 12.

Condiciones del Canal Valores

Material Involucrado Tierra n0 0.020

Grado de Irregularidad Menor n1 0.005

Variaciones de la

sección transversal Ocasionalmente alternante n2 0.005

Efecto relativo de las

obstrucciones Menor n3 0.012

Vegetación Media n4 0.017

Grado de los efectos por

meandros Menor m5 1.000

𝒏 = (𝟎. 𝟎𝟐𝟎 + 𝟎. 𝟎𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟐 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟕) 𝟏. 𝟎𝟎𝟎

𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟗

En el caso de las secciones naturales aguas abajo el material del suelo no es el

mismo que el anterior debido a la erosión. En este se presenta un lecho de roca por

lo que para el cálculo del coeficiente de Manning se utilizó el mismo método

variando únicamente el parámetro del material involucrado dando el siguiente

resultado.

Condiciones del Canal Valores

Material Involucrado Corte en roca n0 0.025

Grado de Irregularidad Menor n1 0.005

Variaciones de la

sección transversal Ocasionalmente alternante n2 0.005

Efecto relativo de las

obstrucciones Menor n3 0.012

Vegetación Media n4 0.017

Grado de los efectos por

meandros Menor m5 1.000

𝒏 = (𝟎. 𝟎𝟐𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟐 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟕) 𝟏. 𝟎𝟎𝟎

𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟒

61

Para la determinación del coeficiente de Manning en los tramos revestidos, así como

en la caja vehicular se utilizó la Figura 15 considerando que el revestimiento es de

mampostería a base de piedra cantera.

Figura 15. Valores del coeficiente de rugosidad n.


El valor del coeficiente de Manning a utilizarse en las secciones revestidas será de

0.025.

B. Pendiente

Para el correcto modelamiento y análisis se deben introducir las pendientes del

cauce, en un régimen con profundidad normal, esto se muestra en la siguiente

figura.

Figura 16. Condiciones del flujo en profundidad normal para Hec Ras.


62

5.2.3.2. Resultados de la simulación

Al ingresar los datos anteriormente expresados al software Hec Ras se ejecutó la

simulación para conocer a detalle el comportamiento del flujo a lo largo del cauce e

identificar las zonas más propensas a inundaciones.

A continuación se muestran algunas de las secciones transversales y las láminas

de flujo donde es claro el rebose del cauce y la deficiencia en el diseño de la caja

vehicular.

Figura 17. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+340.


Figura 18. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+270. Fuente: Propia de Autores.

0 2 4 6 8 10

496.2

496.4

496.6

496.8

497.0

497.2

497.4

497.6

TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016

Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

WS 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.059 .059 .059

0 2 4 6 8 10495.4

495.6

495.8

496.0

496.2

496.4

496.6

496.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.059 .059 .059

63



Figura 20. Comportamiento del Flujo en la Sección de entrada de la caja vehicular.


Con el modelamiento en Hec Ras podemos observar que para eventos de

precipitaciones máximos con periodos de retorno de entre 25 y 50 años, el flujo en

la sección de entrada se eleva hasta 50 cm por encima de la caja vehicular.

De igual forma, en la salida de la caja vehicular existe un rebose de la misma, sin

embargo esta es menor que en las secciones aguas arriba pues únicamente se

eleva 30 cm por encima de la losa, no obstante estos valores son altos ya que en

estas condiciones, el tránsito de las personas ya sea a pie o en algún medio genera

un riesgo para ellos mismos.

0 2 4 6 8 10494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6

495.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.059 .059 .059

0 2 4 6 8494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016 CAJA VEHICULAR

Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

64

Figura 21. Comportamiento del Flujo en la Sección de salida de la caja vehicular.




Figura 23. Perfil del Flujo en Secciones Naturales.


0 2 4 6 8 10493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

0 2 4 6 8 10493.6

493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

0 50 100 150 200 250 300 350 400488

490

492

494

496

498


Main Channel Distance (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

EJE EJE

65

A. Velocidad del flujo en el tramo

Las velocidades del flujo son muy importantes en el comportamiento y el buen

funcionamiento hidráulico de una obra es por eso que determinamos las velocidades

en cada sección transversal. Si las velocidades son muy altas lo más probable es

que con el tiempo el canal se vea erosionado, mientas que si son mínimas, se

produce la sedimentación de material y crecimiento de musgo.

Con la simulación se lograron determinar las secciones más críticas y las

velocidades del flujo que se compararon con las de la Tabla 10, resultando la

siguiente tabla.

Velocidad Sección

Transversal

Parámetro

de control Observación

Velocidad

Máxima en

el canal

3.31 m/s 0 + 270

5 pie/s

o

1.52 m/s

La velocidad es mucho

mayor a la permitida,

por lo que se produce la

erosión del fondo del

canal.

Velocidad

Mínima en

el canal

0.75 m/s 0 + 344

2.5 pie/s

o

0.76 m/s

La velocidad mínima del

canal es aún menor que

el parámetro de control,

es por esto que la

profundidad del flujo

aumenta y se producen

inundaciones.

Tabla 16. Velocidades Máximas y Mínimas en el canal natural.


66

Figura 24. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 344.




5.2.4. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

En base a los resultados obtenidos de la simulación en Hec Ras, procedemos a

realizar distintas propuestas de solución que permitan el correcto funcionamiento

del canal y la mitigación de la problemática actual del sitio.

0 2 4 6 8 10

496.2

496.4

496.6

496.8

497.0

497.2

497.4

497.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

WS 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

0.0 m/s

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

Ground

Bank Sta

.059 .059 .059

0 2 4 6 8 10495.4

495.6

495.8

496.0

496.2

496.4

496.6

496.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

1.0 m/s

1.5 m/s

2.0 m/s

2.5 m/s

3.0 m/s

3.5 m/s

Ground

Ineff

Bank Sta

.059 .059 .059

67

5.2.4.1. Alternativa 1: Ampliación y Revestimiento del Cauce con Piedra

Cantera.

Como primera alternativa se propone la ampliación de las secciones naturales del

cauce, las cuales se modificarían para coincidir con el tramo de entrada a la caja

vehicular, el cual tiene una sección rectangular. (Ver Plano A4). A la misma vez se

plantea el revestimiento del canal con piedra cantera, para evitar la erosión.

Como parte de esta alternativa de solución, se disminuyó la pendiente del canal

desde 2.7% hasta 1% para contribuir en la reducción de las velocidades erosivas

que presenta el cauce en la actualidad.

Se realizó una nueva simulación de las condiciones hidráulicas del canal y la caja,

ahora tomando en cuenta esta alternativa donde se obtuvieron los siguientes

resultados.

Figura 26. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 1.


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0496.2

496.4

496.6

496.8

497.0

497.2

497.4

497.6

497.8

498.0


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.025 .025 .025

68





0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0495.6

495.8

496.0

496.2

496.4

496.6

496.8

497.0

497.2

497.4


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.025 .025 .025

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6

495.8

496.0


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 10 AÑOS

WS 25 AÑOS

Ground

Bank Sta

.025 .025 .025

69

Figura 29. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja puente para la

propuesta 1.


Figura 30. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja puente para la

propuesta 1.


0 2 4 6 8494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

0 2 4 6 8 10493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

70



Figura 32. Perfil del Flujo en la Propuesta 1.


Al analizar la propuesta antes expuesta se puede observar que el aumento de la

sección y el revestimiento de las mismas ayudan a que el cauce no se rebalse pues

se aumenta la velocidad en comparación a las secciones naturales, no obstante, el

problema persiste en la caja vehicular, por lo cual, se analizará una nueva

alternativa en la cual se aumente la velocidad y se reduzca la profundidad del flujo.

Al analizar la propuesta antes expuesta se puede observar que el aumento de la

sección y el revestimiento de las mismas ayudan a que el cauce no se rebalse pues

se aumenta la velocidad en comparación a las secciones naturales, no obstante, el

problema persiste en la caja vehicular, por lo cual, se analizará una nueva

alternativa en la cual se aumente la velocidad y se reduzca la profundidad del flujo.

0 2 4 6 8 10493.5

494.0

494.5

495.0

495.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

0 50 100 150 200 250 300 350 400488

490

492

494

496

498



Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

EJE EJE

71

A. Velocidad del flujo

Con esta alternativa, al homogenizar la sección y revestirla, el coeficiente Manning

cambia de 0.059 a 0.025 para piedra cantera. Al ser una superficie más lisa, se

espera que el canal presente menos resistencia al flujo por lo que se moverá con

mayor velocidad, sin embargo estas velocidades deben estar en un rango para que

sean aceptables. Los resultados de distribución de velocidades del flujo se muestran

en la Tabla 17.

Velocidad Sección

Transversal

Parámetro


Velocidad

Máxima en

el canal

2.82 m/s 0 + 120

5 pie/s

o

1.52 m/s

La velocidad es mayor a la

permitida, por lo que se

produce la erosión del fondo

del canal.

Velocidad

Mínima en

el canal

0.80 m/s 0 + 109

2.5 pie/s

o

0.76 m/s


canal es superior al

parámetro de control, se

asume que no se darán

estancamientos ni

crecimiento de musgo en el

fondo del canal.

Tabla 17. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 1.


Se observa que la velocidad no aumenta considerablemente respecto a la del canal

natural, al contrario disminuye, esto se debe a la variación en la geometría. Es

notable que las velocidades con esta propuesta son más constantes en todo el

tramo, siendo la sección más crítica (sección con velocidad máxima) la sección

previa a la entrada de la caja vehicular.

72

Figura 33. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 120. Fuente: Propia de Autores.

Figura 34. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 109


5.2.4.2. Alternativa 2: Revestimiento del Cauce a base de Concreto.

Al observar que la primera propuesta no da una solución completa a la problemática,

se plantea una nueva alternativa en donde permanecerán las dimensiones antes

expuestas, no así el revestimiento el cual esta vez se realizará de concreto con

acabado hecho a mano. (Ver Plano A5).

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6

495.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 10 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

Crit 50 AÑOS

-4 m/s

-2 m/s

0 m/s

2 m/s

4 m/s

6 m/s

8 m/s

Ground

Bank Sta

.025 .025 .025

0 2 4 6 8 10493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

0.0 m/s

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

73

Esta propuesta pretende aumentar las velocidades del flujo de manera que sin ser

erosivas, permitan disminuir las profundidades del flujo y así evitar inundaciones al

momento que se presenten precipitaciones significativas.

A continuación se muestran secciones del canal, entrada y salida de la caja

vehicular simuladas en Hec Ras con las variaciones de esta alternativa.





0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0496.0

496.5

497.0

497.5

498.0

498.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0495.5

496.0

496.5

497.0

497.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

74



Figura 38. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja puente para la

propuesta 2.


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.0

494.5

495.0

495.5

496.0

496.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0 2 4 6 8494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.013 .013 .013

75

Figura 39. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja puente para la

propuesta 2.




Es notable que la profundidad del flujo disminuye a lo largo del cauce, sin embargo

en la sección 0+120, la sección más cercana a la entrada de la caja vehicular, se

produce un desbordamiento del caudal el cual es más significativo en las secciones

inmediatas donde el flujo sobrepasa la losa superior por unos 10 cm.

0 2 4 6 8 10493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.013 .013 .013

0 2 4 6 8 10493.5

494.0

494.5

495.0

495.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Crit 10 AÑOS

Ground

Ineff

Bank Sta

.025 .025 .025

76



Debido a que esta alternativa no da una solución contundente a la problemática, se

analizó más detalladamente las condiciones del sitio, los parámetros hidráulicos y

la geometría del cauce, donde se notó que el ángulo formado entre el cauce de

entrada y el de salida era muy abrupto, produciendo la elevación del flujo en las

secciones próximas a la caja.


Ahora con esta alternativa, al cambiar el revestimiento anterior de piedra cantera, a

un revestimiento de concreto se disminuye el coeficiente de Manning a 0.013. De

igual forma se espera que las velocidades aumenten, sin embargo al ser un material

más resistente, no deberían presentarse problemas de erosión. Los resultados de

distribución de velocidades del flujo se muestran en la Tabla 18.

Velocidad Sección

Transversal

Parámetro


Velocidad

Máxima en

el canal

4.37 m/s 0 + 180

22.97 pie/s

o

7 m/s

La velocidad es menor a la

permitida, por lo que no se


del canal.

Velocidad

Mínima en

el canal

0.80 m/s 0 + 109

2.5 pie/s

o

0.76 m/s





estancamientos ni


fondo del canal.



0 50 100 150 200 250 300 350 400488

490

492

494

496

498

500



Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

EJE EJE

77

Se observa que la velocidad aumenta en relación a la producida por el revestimiento

de piedra cantera, también es notable que la profundidad del flujo disminuye, sin

embargo se mantiene la inundación en las secciones de entrada a la caja vehicular.





0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.5

495.0

495.5

496.0

496.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

-2 m/s

0 m/s

2 m/s

4 m/s

6 m/s

8 m/s

10 m/s

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0 2 4 6 8 10493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

0.0 m/s

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

Ground

Ineff

Bank Sta

.013 .013 .013

78

5.2.4.3. Alternativa 3: Cambio de Alineamiento y Rediseño de la Caja

Vehicular.

Considerando la geometría del canal y a sabiendas que el aumento de las secciones

del cauce no daban una solución al problema, tampoco así el revestimiento de las

mismas, se plantea la tercer propuesta, la cual consiste en el cambio del

alineamiento del cauce, es decir mover el eje de éste, de manera que se reduzca el

ángulo de giro en la entrada a la caja vehicular y esperando de esta manera se dé

una solución definitiva. (Ver Plano A6).





0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0496.0

496.5

497.0

497.5

498.0

498.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0495.5

496.0

496.5

497.0

497.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

79



Figura 47. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja vehicular para la

propuesta 3.


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.0

494.5

495.0

495.5

496.0

496.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0 1 2 3 4 5 6494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6

495.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

80

Figura 48. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja vehicular para la

propuesta 3.




0 1 2 3 4 5 6493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4

495.6


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0493.6

493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

WS 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

81




La tercera propuesta cambia la geometría en planta del cauce, con un revestimiento

igual al anterior de concreto. Los resultados de distribución de velocidades del flujo

se muestran en la Tabla 19.

Velocidad Sección

Transversal

Parámetro


Velocidad

Máxima en

el canal

4.35 m/s 0 + 180

22.97 pie/s

o

7 m/s

La velocidad es menor a la

permitida, por lo que no se


del canal.

Velocidad

Mínima en

el canal

4.03 m/s 0 + 093

2.5 pie/s

o

0.76 m/s





estancamientos ni


fondo del canal.



0 50 100 150 200 250 300 350488

490

492

494

496

498

500



Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

Ground

EJE EJE

82

Se observa que la velocidad aumenta en relación a la producida por el revestimiento

de piedra cantera, también es notable que la profundidad del flujo disminuye, sin

embargo se mantiene la inundación en las secciones de entrada a la caja vehicular.

Figura 51. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 180. Fuente: Propia de Autores.



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0494.5

495.0

495.5

496.0

496.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

-2 m/s

0 m/s

2 m/s

4 m/s

6 m/s

8 m/s

10 m/s

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0493.4

493.6

493.8

494.0

494.2

494.4

494.6

494.8

495.0

495.2

495.4


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG 50 AÑOS

EG 25 AÑOS

EG 10 AÑOS

Crit 50 AÑOS

Crit 25 AÑOS

Crit 10 AÑOS

WS 50 AÑOS

WS 25 AÑOS

WS 10 AÑOS

-2 m/s

0 m/s

2 m/s

4 m/s

6 m/s

8 m/s

10 m/s

Ground

Bank Sta

.013 .013 .013

83

La propuesta 3, luego de ser analizada y simulada en el software Hec Ras, se

considera la propuesta óptima para dar solución a los problemas que presenta la

caja vehicular en la actualidad. Esto debido a que dicha propuesta, reduce las

profundidades del flujo de manera que no se inunde ningún tramo del cauce ni

tampoco la caja vehicular. A su vez produce velocidades que no son erosivas pero

que no permiten el depósito de sedimentos ni el crecimiento de musgos en el fondo

del canal.

Con el debido mantenimiento de esta obra y esta propuesta, se asume que la

problemática será eliminada.

CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

85

6.1. CONCLUSIONES

Tomando en cuenta los resultados obtenidos en el presente trabajo se puede

concluir lo siguiente:

La cuenca hidrográfica del cauce ubicado en el tramo La Botella –

Güisquiliapa, por su superficie (91 ha) corresponde a una cuenca pequeña lo

cual la hace vulnerable a inundaciones. Posee una forma entre oval oblonga

y rectangular oblonga lo que indica que la escorrentía tardará más tiempo en

llegar al punto de cierre.

La pendiente del cauce es suave, por lo tanto el flujo demorará más tiempo

en circular por el cauce, produciendo estancamientos y hasta inundaciones

en algunos puntos.

El tipo de suelo encontrado en la zona según los estudios de suelo es Arena

Arcillosa, el cual es un material con altos porcentajes de permeabilidad, lo

cual reduce la escorrentía en gran medida. De acuerdo al uso que a éste se

le da, el coeficiente de escorrentía calculado fue de 0.2, es decir del total de

las precipitaciones un 20% circula por la superficie.

Los periodos de retorno varían según la importancia de la obra, lo que a su

vez define los valores de caudales que transitan por dicha estructura. Éstos

se determinaron para los periodos de retorno de 10, 25 y 50 años, dando

como resultado caudales de 5.96 m3/s, 6.56 m3/s y 7.02 m3/s

respectivamente.

En cuanto al análisis hidráulico se determinó que las velocidades en el cauce

son erosivas por lo cual el transporte de sedimentos y la acumulación de los

mismos en zonas específicas es uno de los problemas más significativos.

Se comprobó que el problema generado en la caja vehicular, no radica en

sus dimensiones, sino en la geometría en planta que ésta posee, pues el

ángulo con el que se construyó no es el adecuado ya que produce un choque

del flujo y el rebose en las secciones de entrada a la caja.

Se analizaron varias alternativas a la problemática presentada de las cuales

se escogió el cambio de alineamiento del cauce a partir de las secciones

0+120 hasta la sección 0+100, esto para reducir el ángulo de entrada a la

86

caja, la cual se rediseño con dimensiones de 3.6 m de ancho y 1.5 m de

altura, siempre con dos celdas. Además se propone el revestimiento del

cauce aguas arriba con concreto para disminuir las profundidades del flujo,

aumentar la velocidad y evitar la acumulación de sedimentos a lo largo del

mismo.

6.2. RECOMENDACIONES

Dentro de las recomendaciones podemos señalar:

Se recomienda continuar el estudio del cauce a partir de las últimas

secciones evaluadas en este documento, hasta la salida de la alcantarilla en

el barrio La Botella, para generar de esta manera, un plan de intervención

más preciso.

En caso de retomar este diseño como solución final a la problemática, se

recomienda realizar un análisis estructural de la caja vehicular propuesta.

Para el correcto funcionamiento del diseño aquí expuesto, se recomienda al

personal pertinente realizar jornadas de limpieza y mantenimiento en la obra,

para garantizar la vida útil de la estructura, pues por su localización

generalmente se deja descuidada.

87

6.3. BIBLIOGRAFÍA

ALMA. (2012). Reglamento de drenaje pluvial para el municipio de Managua.

Managua.

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88

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Department with Jinotepe highlighted:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carazo_Department_with_Jinotepe

_highlighted.svg#filehistory

89

CAPÍTULO 7 ANEXOS

90

7.1. IMÁGENES

Imagen 7. Levantamiento topográfico a un extremo de la caja puente.


Imagen 8. Levantamiento topográfico en la sección de salida del tramo revestido aguas

abajo.


91

Imagen 9. Caja Puente.


Imagen 10. Sección de entrada de la Caja Puente.


92

Imagen 11. Sección de salida de la Caja Puente.


Imagen 12. Cauce aguas arribas.


93

Imagen 13. Cauce aguas abajo.


Imagen 14. Daños provocados por el rebose en la caja vehicular.


94

Imagen 15. Arrastre de sedimentos y basura a la caja.


Imagen 16. Granulometría de la muestra 1.


95

Imagen 17. Granulometría de la muestra 2.


Imagen 18. Muestras para determinar los límites líquidos y plásticos.


96

7.2. FIGURAS

Figura 53. Elementos geométricos de secciones de canal.


97

Figura 54. Clasificación de suelos según SUCS

Fuente: Sistema Unificado de Clasificación del Suelo

98

Figura 55. Mapa de orden y suborden de suelos, Nicaragua. Fuente: Atlas de Nicaragua (INETER, 2015)

99

7.3. TABLAS

Tabla 20. Composición Granulométrica de la muestra 1.


Proyecto:

Descripción:

Operador:

Fecha:

Ensaye N° 1 Sondeo N° 1

Profundidad 1 m Muestra N° 1

Malla N° Peso Retenido % Retenido % Retenido % Que pasa

Parcial grs Parcial Acumulado la malla

10 18 3.60% 3.60% 96.40%

40 165 33.00% 36.60% 63.40%

200 240 48.00% 84.60% 15.40%

Pasa N° 200 77 15.40% 100.00% 0.00%

Suma 500 100.00%

Yane Zúniga Montenegro & Gerald Ingram Alfaro

20 de Septiembre de 2016

DETERMINACION DE COMPOSICION GRANULOMETRICA

Composición Granulométrica del Material Tamizado

por la Malla N° 4

Revision Hidrotécnica y Propuesta de Mejora de la caja vehicular localizada en el

tramo La Botella-Güisquiliapa del municipio de Jinotepe, Carazo.

Composición granulométrica para determinar tipo de suelo presente en el cauce en

estudio.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

0.0100.1001.000

% q

ue

Pa

sa

Diámetro de Malla en mm


100

Tabla 21. Composición Granulométrica de la muestra 2.


Proyecto:

Descripción:

Operador:

Fecha:


Profundidad 1 m Muestra N° 2

Malla N° Peso Retenido % Retenido % Retenido % Que pasa

Parcial grs Parcial Acumulado la malla

10 19 3.80% 3.80% 96.20%

40 166 33.20% 37.00% 63.00%

200 242 48.40% 85.40% 14.60%

Pasa N° 200 73 14.60% 100.00% 0.00%

Suma 500 100.00%


por la Malla N° 4


DETERMINACION DE COMPOSICION GRANULOMETRICA




estudio.


0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

0.0100.1001.000

% q

ue

Pa

sa

Diámetro de Malla en mm


101

Tabla 22. Límites de Atterberg


Proyecto:

Descripción:

Operador:

Fecha:


Profundidad 1.2 m Muestra N° 1 y 2

1 2

30 29

27 26

23 22

4 4

23 22

16 16

7 6

57.14 66.67

1.022 1.018

58.40 67.87

1 2

19 19

18 18

1 1

18 18

16 16

2 2

50.00 50.00

N K N K N K N K N K

10 0.895 16 0.947 22 0.985 28 1.014 34 1.038

11 0.909 17 0.954 23 0.990 29 1.018 35 1.042

12 0.915 18 0.961 24 0.995 30 1.022 36 1.045

13 0.924 19 0.967 25 1.000 31 1.026 37 1.048

14 0.932 20 0.973 26 1.005 32 1.030 38 1.051

15 0.940 21 0.979 27 1.009 33 1.034 39 1.054

RESULTADOS Muestra # 1 Muestra # 2

Límite Líquido L.L. = 58.40 67.87

Límite Plástico L.P. = 50.00 50.00

Índice de Plasticidad I.P. = 8.40 17.87

Ps mas recipiente (2)

Peso de Recipiente (4)

Ps: (2) - (4) = (5)

% de agua: (100)(3)/(5) = (6)

Límite Líquido

Recipiente No.

Número de golpes N.

Pw más recipiente (1)


Agua: (1) - (2) = (3)

DETERMINACION DE LOS LIMITES DE ATTERBERG




estudio.



Tabla de Factores para Calcular Límite Líquido

Factor K

Límite Líquido (6) * K (7)

Recipiente No.

Pw más recipiente (8)


Agua: (8) - (9) = (10)


Recipiente (11)

Ps: (9)- (11) = (12)

Límite Plástico 100(10)/(12)=13

Límite Plástico

102

Tabla 23. Tipo de Suelo según SUCS


Proyecto:

Descripción:

Operador:

Fecha:


Profundidad 1.2 m Muestra N° 1 y 2

100 100

15.40 14.60

58.40 67.87

50.00 50.00

SC SC

Arenas arcillosas,

mezclas de arena y

arcilla

Arenas arcillosas,

mezclas de arena y

arcilla

RESULTADOS

Clasificación

Descripción

DATOS

% que pasa

Plasticidad

Tamiz nº4

Tamiz nº200

Limite liquido

Indice Plastico

DETERMINACION DE TIPO DE SUELO SEGUN SUCS




estudio.



0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ind

ice

Plá

stic

o

Limite líquido

Carta de Plasticidad

103

Tabla 24. Intensidades Máximas Anuales de Precipitación de la estación Masatepe

(Campos Azules).

Fuente: INETER.

Latitud : 11° 53' 59"

ESTACION : Longitud : 86° 08' 59"

CODIGO : Elevación : 470 Msnm

Periodo : Tipo : AG

5 10 15 30 60 120 360

1971 127.1 105.4 85.8 62.9 43.1 27.2 18.4

1972 127.1 105.4 85.8 62.9 43.1 27.2 18.4

1973 127.1 105.4 85.8 62.9 43.1 27.2 18.4

1974 114.0 108.0 92.0 79.0 44.0 27.5 20.7

1975 120.0 93.0 76.0 64.0 32.0 16.2 10.6

1976 130.8 93.0 66.0 40.8 36.9 25.6 14.1

1977 120.0 106.8 86.4 58.0 38.3 24.7 15.1

1978 120.0 99.0 76.4 57.4 40.7 28.1 18.0

1979 120.0 78.0 52.0 42.0 24.0 21.5 10.7

1980 144.0 114.0 100.0 62.8 49.5 28.9 18.7

1981 126.0 107.4 78.4 48.8 33.8 21.7 11.9

1982 193.2 136.2 111.2 80.8 56.2 31.1 19.4

1983 117.6 86.4 70.4 63.2 55.1 42.4 31.7

1984 120.0 92.4 81.6 57.6 32.2 29.2 16.4

1985 123.6 105.0 90.8 84.8 51.8 17.3 15.2

1986 145.2 112.8 97.2 74.2 40.3 22.3 14.3

1987 150.0 114.0 108.0 74.2 43.8 22.6 15.0

1988 174.0 116.4 79.2 58.6 30.3 24.0 4.7

1989 120.0 120.0 120.0 85.6 73.3 38.6 34.9

1990 192.0 142.2 119.2 69.2 36.0 24.0 11.5

1991 204.0 149.4 116.4 78.0 56.0 34.5 20.5

1992 219.0 153.0 139.2 95.6 87.3 52.8 37.8

1993 108.0 85.8 84.0 51.2 21.8 13.9 7.6

1994 120.0 113.4 103.6 74.2 55.0 36.7 27.9

1995 120.0 103.8 78.4 61.6 39.7 34.4 21.3

1996 174.0 125.4 93.6 54.4 41.6 24.2 12.9

1997 117.6 107.2 102.0 89.2 69.2 36.9 33.7

1998 120.0 117.6 94.4 78.2 70.5 36.3 31.1

1999 104.4 88.8 88.0 82.8 79.3 43.0 13.9

2000 146.4 120.4 114.0 63.4 41.9 22.1 23.8

2001 120.0 115.8 114.4 76.2 54.3 31.8 12.5

2002 121.2 99.0 76.8 52.4 44.1 31.5 12.3

2003 112.8 94.8 77.6 62.0 44.8 27.3 7.6

2004 121.2 115.2 84.8 80.8 66.1 37.9 12.7

2005 118.8 115.8 104.0 76.8 45.7 29.8 15.1

2006 111.6 91.8 90.4 67.2 43.7 23.3 1.9

2007 126.0 117.6 113.2 78.4 62.9 32.3 8.4

2008 112.8 110.4 88.0 69.2 56.8 45.9 18.6

2009 156.0 116.4 97.6 76.2 45.1 26.0 16.5

2010 188.4 116.4 98.0 68.4 38.9 15.9 8.0

2011 117.6 116.4 116.0 66.4 35.7 22.5 5.5

2012 108.0 94.8 94.4 67.8 45.0 22.7 8.6

2013 116.4 112.2 97.6 58.2 43.1 27.6 10.8

2014 172.8 127.2 102.8 66.0 51.4 40.1 7.8

069 129

1971 - 2014

AÑOSDURACIÓN DE INTENSIDADES EN MINUTOS

INSTITUTO NICARAGUENSE DE ESTUDIOS TERRITORIALES

INTENSIDADES MAXIMAS ANUALES DE PRECIPITACION (mm).

MASATEPE (CAMPOS AZULES)

104

7.4. MANUALES

Determinación del análisis granulométrico de los suelos (método mecánico)

ASTM D-422; AASHT0 T 27-88

Procedimiento: 1. Método Análisis Mecánico 1.1. Material mayor que el tamiz No. 4

El material retenido en el tamiz No. 4, se pasa a través de los tamices, 3”, 2 ½”, 2”, 1½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, No. 4 y fondo, realizando movimientos horizontales y verticales.

Pesar las fracciones retenidas en cada tamiz y anotarlas en el registro

correspondiente. 1.2. Material menor que el tamiz No. 4

Poner a secar la muestra en el horno a una temperatura de 105 a 110º C por un período de tiempo de 12 a 24 horas.

Dejar enfriar la muestra a temperatura ambiente y pesar la cantidad requerida

para realizar el ensaye.

Si el suelo es arenoso se utilizar aproximadamente 200grs.

Si el suelo es arcilloso se utilizar aproximadamente 150grs.

Disgregar los grumos (terrones), del material con un pisón de madera para evitar el rompimiento de los gramos.

Colocar la muestra en una tara, agregándole agua y dejarla remojar hasta

que se puedan deshacer completamente los grumos.

Vaciar el contenido de la tara sobre el tamiz No. 200, con cuidado y con la ayuda de agua, lavar lo mejor posible el suelo para que todos los finos pasen por el tamiz. El material que pasa a través del tamiz No. 200, se analizará por otros métodos en caso sea necesario.

El material retenido en el tamiz No. 200 después de lavado, se colocara en

una tara, lavando el tamiz con agua.

105

Secar el contenido de la tara en el horno a una temperatura de 100 – 110º C por 24 horas.

Con el material seco en el paso anterior, se colocara el juego de tamices en

orden progresivo, No. 4, No. 10, No. 40, No. 200 y al final el fondo, vaciando el material previamente pesado.

Agitar el juego de tamices horizontalmente con movimientos de rotación y

verticalmente con golpes secos de vez en cuando. El tiempo de agitación depende de la cantidad de finos de la muestra, pero por lo general no debe ser menor de 15 minutos.

Inmediatamente realizado el paso anterior pesar las fracciones retenidas en

cada tamiz, y anotarlas en el registro correspondiente.

106

Determinación de los límites de consistencia o de Atterberg de los suelos.

ASTM D 4318, AASHTO T 89-90 y T 90-87

Procedimiento Experimental: 1.1. Determinación del Límite Líquido (LL) Los ensayes de consistencia se hacen solamente con la fracción de suelo que pasa por el tamiz No. 40.

Después de secar la muestra de suelo, cribar a través del tamiz No. 40 desechando el que quede retenido.

Antes de utilizar la “Copa de Casagrande”, debe ser ajustada (calibrada),

para que la copa tenga una altura de caída de 1 cm., exactamente.

Del material que pasó por el tamiz No. 40 tomar aproximadamente unos 100 gramos, colocarlo en una cápsula de porcelana y con una espátula se hace una mezcla pastosa, homogénea y de consistencia suave agregándole una pequeña cantidad de agua durante el mezclado.

Parte de esta mezcla colocarla con la espátula en la copa de Casagrande

formando una torta alisada de un espesor de un (1) cm., en la parte de máxima profundidad. Una altura menor aumenta el valor del límite líquido.

El suelo colocado en la “Copa de Casagrande”, dividirlo en la parte media en

dos porciones utilizando para ello un ranurador, de manera que permanezca perpendicular a la superficie inferior a la copa.

Para suelos arcillosos con poco o ningún contenido de arena hágase la ranura con un solo movimiento suave y continúo.

Después de asegurarse de que la copa y la base están limpias y secas, dar

vuelta a la manija del “Aparato de Casagrande”, uniformemente a razón de 2 golpes por segundo, contando el número de golpes requeridos hasta que se cierre el fondo de la ranura en una distancia de 1 cm. Si la ranura se cierra antes de los 10 golpes, sacar el material se vuelve a mezclar y se repiten los pasos 4, 5 y 6.

107

Después que el suelo se ha unido en la parte inferior de la ranura, tomar aproximadamente unos 10 gramos del suelo; anotar el peso húmedo, el No. de golpes obtenidos y determinar el peso seco.

Repetir los pasos 2, 4, 5, 6 y 7; con el propósito de obtener puntos menores

de 25 golpes y mayores de 25 golpes.

Determinar el porcentaje de humedad correspondiente a cada número de golpes y construirla la curva de fluidez en papel semi-logarítmico.

El límite líquido define cuando el contenido de agua en la curva de fluidez

corresponda a 25 golpes. 4.2. Determinación del Limite Plástico (LP)

Tomar aproximadamente la mitad de la muestra que se usó en límite líquido, procurando que tenga una humedad uniforme cercana a la humedad optima, amasarlo con la mano y rodarlo sobre una superficie limpia y lisa, como una hoja de papel o un vidrio hasta formar un cilindro de 3 mm, de diámetro y de 15 a 20 cm de largo.

Amasar la tira y volver a rodar, repitiendo la operación tantas veces como se necesite para reducir, gradualmente, la humedad por evaporación, hasta que el cilindro se empiece a endurecer.

El límite plástico se alcanza cuando el cilindro se agrieta al ser reducido a 3mm de diámetro.

Inmediatamente dividir en proporciones y poner los pedazos en dos taras.

Pesar en la balanza de 0.01 gr., y registrar su peso.

108

Introducir la muestra en el horno por un período aproximado de 24 horas y determinar el peso seco.

Con los datos anteriores calcular el contenido de agua en porcentaje. Si la diferencia de los dos % no es mayor que 2% se promedian y en caso contrario se repite el ensaye.

El promedio es el valor en porcentaje del Límite Plástico.

109

7.5. PLANOS

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA

Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL

REVISION HIDROTECNICA Y PROPUESTA DE

MEJORA DE LA CAJA VEHICULAR LOCALIZADA

EN EL TRAMO LA BOTELLA-GÜISQUILIAPA DEL

MUNICIPIO DE JINOTEPE, CARAZO.

PLANTA Y PERFIL LONGITUDINAL DEL CAUCE

YANE MARJUDITH ZÚNIGA MONTENEGRO

GERALD ALEXANDER INGRAM ALFARO

MSC. ING. JEAN CARLOS GUTIERREZ

DR. ING. NESTOR JAVIER LANZA

UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

01

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA


Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL





SECCIONES TRANSVERSALES DEL CAUCE





UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

02

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA


Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL





SECCIONES TRANSVERSALES DEL CAUCE





UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

03

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA


Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL





DETALLES DE ALTERNATIVA DE SOLUCION # 1





UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

04

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA


Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL










UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

05

UNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA


Y AMBIENTE

INGENIERÍA CIVIL










UCAUNIVERSIDAD

CENTROAMERICANA

TESIS

CONTENIDO

AUTORES

TUTOR

ASESOR

ESCALA

SIN ESCALA

ACOTACION

METROS

FECHA

DIC. 2016

No. DE PLANO

06

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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA ...repositorio.uca.edu.ni/3676/1/UCANI4610.pdf · personal de la Universidad Centroamericana que aportaron en cada paso del avance