JOJOYCO LTOA. 103-----------------------------------------------------------------

-DBAIIOU.O UIIAIIO,l!l'll1i.IUlt1Ii1CII_

ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO YDE SOCAVACINDISE() DE SISTEMAS DE DRENAJE

CONTRATO IDU 159 DE 2005V"ersinl- Julio 28 de 2006

La duracin de la tormenta de diseo, se adopt igual al tiempo de concentracin de lacuenca con el fin de obtener el mayor caudal. que pudiese producir; por lo tanto se estimla precipitacin mxima o la intensidad.de la lluvia en cada cuenca, correspondiente a unaduracin igual al tiempo de concentracin obtenido,con base en las curvas de P - D - Tro i - D - Tr presentadas anteriormente.

6.-CARACTERSTICAS HIDROLGICAS DE LAS CUENCAS

El tiempo de concentracin de las cuencas se estim a partir de las caractersticashidrolgicas de las mismas, mediante el criterio" de Kirpich el cual se puede expresarcomo:

L1.l55

0.066 0-385H

donde:

Tc: tiempo de concentracin erthoras.

L : longitud del cauce principal en Km.

H : desnivel total del cauce print;ipal en Km.

Se adopt para el tiempo de concentracin un valor mnimo igual a 15 mino La razn de loanterior tiene que ver con la curvatura de las curvas de intensidad - vs - duracin -perodo de retomo, en las cuales pa~. duraciones pequeas, las intensidades tienden ainfinito o magnitudes muy grandes lascuales la atmsfera no puedegenerar; por lo tantolos hidrlogos han recomendado en la literatura tcnica utilizar valores mnimos queoscilan. entre 8 min y 15 mino En las normas de la Empresa de Acueducto se recomiendaadoptar un valor mnimo de 15 mino

Con base en la cartografiaa escala 1::25000, se identificaron las cuencas atravesadas porlas vas (Yer Planos 1 y 2) Y se f!1idieron los siguientes. parmetros bsicos de lasmismas: rea (A), longitud del cause principal (L) y desnivel total del cause principal (H).La Tabla No. 6.1 y Tabla No. 6.2ipresentan los valores .obtenidos en las cuencasidentificadas y el correspondiente valor del tiempo de concentracin. bajo el. criterio que elproyecto esta dividido en dos Tramos:

Tramo 1 (Estacin El Hato): eJelK9+278 hasta el K16+660

Tramo 2 (Estacin Los Tunj()~): del K16+750 hasta el K27+050

22

Diagonal (Calle) 42 No. 48-51 Barna La E~meralda; Telfonos: 2210190- 2214519 Fax: 3150792joycocia@yahbo.es - Bogot. D.C. - Colombia

ESTUDIO HIDROLGIC01H1I)R.ULICO y DE SOCAVACINDI$E() DE SISTEMAS DE DRENAJECONTRATOIDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006 102- JOYCO LTOA.Tabla. No. 6.1:Caraeteffiticas. Hidrolgicas de las cuencas. Tramo 1.

Area LongifJ.td MI Te Te

K14+804 15

Abscisa Cuenca 1------"(!.:.:h:.::a)'----~(L.K::..:m:.L)__4....!.:(Km:....::;.::..:.!-.J)~(I1l=i;.::..:n!-.J)+=(a:.::d~op!.:..,;t:.y)Kirpieh

K16+628242.290 2.6831.365 0.2760.397 0.0691.963 0.2763.433 0.434

0.280 20.2 20

0.596 0.1721.975 0.1769.619 0.6300.462 0.1475.249 0.496

1

21.872 0.753

0.1554.8

0.150 3.7

0.901 0.1340.180 5.5

0.991 0.1920.656 0.1589.871 0.7560.267 0.0830.318 0.09311.716 0.87112.215 0.7871.035 0.1980.755 0.152379.180 2.7920.985 0.22231.149 1.0580.486 0.103.3.296 0.3393.248 0.3336.496 0.6040.585 0.1240.725 0.20916.205 1.06929.948 1.3213.874 0.3400.541 0.1271.639 0.245

0.1705.7

0..1407.20.1306.6

0.500 16.9

0.130 9.3

0.0354.10.100 2.70.1904.2

0.2906.90.2808.90.1202.6

15151515151515151515

151515

20

K16+660 11

K16+515K16+548

K16+280K16+100

K15+700K15+940

Kt5+456K15+535 12

K15+255 13K15+170K15+153 14K14+941K14f872

K14+740 15 15K14+688 15K14+570

1515

K14+490 16

K14+176 15K14+298 17 15

K14+120 15K14..025 18K13+940 15

K13+595 15K13f682 19 15

K13+490 20 15K13+381 21 15

K13+245 ' 15K13+338 22 15

K13+152 15K13+082 23 15K13+018 24 15

K12+770 15K12+830 25 15

K12+600 15

23

Diagonal (Calle) 42 ,NO. 48-511;3a.rrioLaE$meralda; Tellfonos: 2210190-2214519 Fax: 3150792joycoca@yahoo.es - Bogot, D.C. - Colombia

ESTUDI()lIID~()LGIC(), lIIDR.ULICOypE SOCAVACIN JO.... . . .DIS~OD:HSISJBttA.SDEDR.ENAJE .

CONTRATO IDU159 DE 2005Version l-Jlllio28 de 2006 JOYCO. LTDA. 101

Abscisa

Tabla6.1 Caraclesticas hidrolgicas de lascuencas(Contim.iacin)

15

C Area Longitud AH Tc(min) Tc(min)uenca (ha) (Km) (Km) Kirpich (adopt)

K12+515K12+428K12+275K12+265K12+116K12+043K11+970K11+910K11+679K11+623K11+566K11+498K11+412K11+350K11+325K11+263K11+123K11+003K10+841K10+780K10+640K10+576K10+510K10+451K10+425K10..316K10+227K10+203K10+162K10+128K10+055K9..978K9+928K9+862K9+774K9+688K9..556K9+523K9+427K9+278

26 58.041 1.868 0.320 12.6 152.199 0.303 15

2.180 0.2751.994 0.229 150.810 0.077 15

27 222.822 3.421 0:650 19.3 190.523 0.164 152.567 0.213 150.960 0.333 150.933 0.279 15

28 34.654 1.720 0.320 11.5 150.321 0.142 150.426 0.203 150.444 0.195 15

29 170.313 3.181 201.603 0.275 152.275 0.462 151.387 0.220 15

30 100.560 1.675 0:36010.6 150.569. 0.104 15

31 7.389 0.654 0.1405.2 154.947 0.464 0.6002.0 150.1.62 0.047 150.163 0.040 150.307 0.079 150.717 0.160 150.486 0.143 150.998 0.196 150.475 0.160 150.669 0.136 15

32 849.566 4.675 0.55029.6 300.559 0.126 150.114 0.033 15

33 304;287 4.131 0.11047.7 500.810 0.065 15

34 8.335 0.687 0.3503.8 150.668 0.167 150.676 0.090 15

35 81.314 2.964 0.14029.6 30

24

Diagon1 (Calle) 42 No. 48-51 SamoLa E$1leralda; Telf 000$.:221 0190 - 221 45 19 Fax: 3150792iovcocia@yahoo.es - Bogot, D.C.- Colombia

-DESAIIOU.O UIIWIO_.'.111111 111OC

ESTUDIO IlIDR()LGICO, .HII)RlJLI

-DESAIIOU.O UIIIIAIIO~iiililfilllfll!i:lIITMi

ESTUDIO HIDROLGICO" HIDRULICO YDE SOCAVACINDIS~O DE SISTEMAS DE DRENAJE

CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1- Julio 28 de 2006 099JOYCO LTDA.

Tabla No. 6.2: Caractesticas Hidrolgicas de las cuencas. Tramo 2 (Continuacin)

A~ Longitud .MI Tc TcAbscisa Cuenca (h~) (Kml (Km) (min) ~adoptl...

Kirpic~1

ESTUDIO IflDROLGICO, HIJ)RlJLI

I ESTUDIOHIDROLGICO,mDRULICOYI)E SOCAVAONDIsEo DE,SISTEMASUE )JIDlAJECONTRATO IDU159 DE.2005Versin 1- Julio 28de 2006 097-DESAIIOllO UIIWIO"Ii.IWlilliII ni.Ulle JOYCO LTDA.

loscaudal~.mximosgeneradQs .encuencassuperiore~a 100 ha, fueron estimadosutilizand() el mtodo del hidrQgramaun~ario triangular, recomendadQporel U.S. BureauQfReclamationdelosEEUU5,cuyosparmetros bsicos son los siguientes:

Qp = 0.208 A Pe / tp

tp== D/2+0.6TcTb= 2.67tp

donde:

Qp : caudal pico en m3/s.A: rea de la cuenca en Km2Pe : precipitacin efectiva en mm.tp : tiempo al pico en horas.O : duracin de la lluvia efectiva en horas.Tc: tiempo de concentracin en horas.Tb : tiempo base en horas.

la precipitacin efectiva (Pe), Jueestirnada util.izandoel, mtodo d~ISoilConservationService de los EEUU2, el.cualsepuecte expresar de la siguiente manera:

P Jp-.~+50.8)'e P +20320 _ 203.2

N

donde:

Pe : precipitacin efectiva en mm.P : precipitacin de tormenta de diseo en mm.N : nmero del complejo hidrolgico suelo - vegetacin.

El nmero del complejo hidrolgico depende del tipo de suelo,de la~bertutavegetal, delUSQclelSueloy de la condicin de humectadantecedente de la cuenca.

En este caso, lascuencasdf!,rcorredorde la va se modelaroncomo una pra(jeranatura,1en cQn~icic)n.hidrol~ica, r~ular; es decir con moderadQpastoreQ ycobert~r~vegetalentr~ .eI5()%y.el 75%. del rea; de otro lado se consi(jerel suelointermectioentr~,.Josgropos.hidrolgicos tipos By e que corresponde a un suelo con tasas de infjltracinentremoderadas a bajas.

5 Bureau ofReclamation, U .S. "Diseo de Presas Pequeas". Cap. 2

28Diagonal (Calle) 42 No. 48-51 Barrio la Esmeralda; Telfonos: 221 01 90 - 221 45 19 Fax: 3150792

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ESTUDIO HIDROLGICO, .HIDRULI

I-DfSIIIOUOUIBANO 1 _

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Tabla 6.4. Caudales de Diseo. Tramo 1(Continuacin)

rea Tc Diseo i QAbscisa Cuenca (ha) (adopt) TR (mmlh) (m3/s)(Aos)

K14+298 17 12.215 15 10.0 52.8 0.54K14+176 1.035 15 10.0 52.8 0.05K14+120 0.755 15 10.0 52.8 0.03K14+025 18 379.180 20 100.0 5.42K13+940 0.985 15 10.0 52.8 0.04K13+682 19 31.149 15 10.0 52.8 1.37K13+595 0.486 15 10.0 52.8 0.02K13+490 20 3.296 15 10.0 52.8 0.15K13+381 21 3~248 15 10.0 52.8 0.14K13+338 22 6.496 15 10.0 52.8 0.29K13+245 0.585 15 10.0 52.8 0.03K13+152 0.725 15 10.0 52.8 0.03K13+082 23 16.205 15 10.0 52.8 0.71K13+018 24 29.948 15 10.0 52.8 1.32K12+830 25 3.874' 15 10.0 52.8 0.17K12+770 0.541 15 10.0 52.8 0.02K12+600 1,639 15 10.0 52.8 0.07K12+515 26 58.041 15 10.0 52.8 2.55K12+428 21199 15 10.0 52.8 0.10K12+275K12+265 2.180 15 10.0 52.8 0.10K12+116 1.994 15 10.0 52.8 0.09K12+043 0,810 15 10.0 52.8 0.04K11+970 27 222.822 19 100.0 4.70K11+910 0.523 15 10.0 52.8 0.02K11+679 2.567 15 10.0 52.8 0.11K11+623 0.960 15 10.0 52.8 0.04K11+566 0.933 15 10.0 52.8 0.04K11+498 28 34.654 15 10.0 52.8 1.52K11+412 0.321 15 10.0 52.8 0.01K11+350 0.426 15 10.0 52.8 0.02K11+325 0.444 15 10.0 52.8 0.02K11+263 29 170.313 20 100.0 4.60K11+123 1.603 15 10.0 52.8 0.07K11+003 2.275 15 10.0 52.8 0.10K10+841 1.387 15 10.0 52.8 0.06K10+780 30 100.560 15 50.0 2.40K10+640 0.569 15 10.0 52.8 0.03K10+576 31 7.389 15 10.0 52.8 0.33

30

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-DESAIIOU.O UlUlO~:llii_'iIiiIi_.~

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CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006 094JOYCO LTOA.

Tabla 6.4. Caudales de Diseo. Tramo 1(Continuacin)

rea Tc Diseo i QAbscisa Cuenca (h~) (adopt) TR (mmlh) (m3/s)(Aos)

K10+510 4.947 15 10.0 52.8 0.22K10+451 0.162 15 10.0 52.8 0.01K10+425 0.163 15 10.0 52.8 0.01K10+316 0.307 15 10.0 52.8 0.01K10+227 0.717 15 10.0 52.8 0.03K10+203 0.486 15 10.0 52.8 0.02K10+162 0.998 15 10.0 52.8 0.04K10+128 0.475 15 10.0 52.8 0.02K10+055 0.669 15 10.0 52.8 0.03K9+978 32 849.566 30 100.0 3.08K9+928 0.559 15 10.0 52.8 0.02K9+862 0.114 15 10.0 52.8 0.01K9+774 33 304.287 50 100.0 5.55K9+688 0.810 15 10.0 52.8 0.04K9+556 34 8.335 15 10.0 52.8 0.37K9+523 0.668 15 10.0 52.8 0.03K9+427 0.676 15 10.0 52.8 0.03K9+278 35 81.314 30 10.0 35.9 2.43

Tabla No. 6.5: Caudales de Diseo. Tramo 2

Area Tc Diseo i QAbscisa Cuenca (heO (adopt) TR (mmlh) (m3/s)

(aos)K27+620 1.331 15 10 58.448 0.065K27+430 1.714 15 10 58.448 0.084K27+220 2.523 15 10 58.448 0.123K27+050 9.286 15 10 58.448 0.453K26+860 5.506 15 10 58.448 0.268K26+691 1A 25.995 15 10 58.448 1.267K26+528 1.580 15 10 58.448 0.077K26+300 0.968 15 10 58.448 0.047K26+004 1.661 15 10 58.448 0.081K25+900 1.975 15 10 5R448 0.096K25+745 0.948 15 10 58.448 0.046K25+660 0.874 15 10 58.448 0.043K25+51O 0.916 15 10 58.448 0.045K25+440 1.641 15 10 58.448 0.080

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31

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093Tabla No. 6.5: Caudales de Diseo. Tramo 2. Continuacin

JOYCO LTOA.

Area Te Diseo i QAbscisa Cuenca (ha) (adopt) TR (mmlh) (m3/s)(aos)K25+258 1.969 15 10 58.448 0.096K24+840 1.844 15 10 58.448 0.090K24+670 1.245 15 10 58.448 0.061K24+470 3.502 15 10 58.448 0.171K24+300 1.847 15 10 58.448 0.090K24+280 1.043 15 10 58.448 0.051K24+230 1.984 15 10 58.448 0.097K24+150 5.669 15 10 58.448 0.276K24+009 2.245 15 10 58.448 0.109K23+868 6.400 15 10 58.448 0.312K23+722 1 17.161 15 10 58.448 0.837K23+453 2.500 15 10 58.448 0.122K23+305 6.193 15 10 58.448 0.302K23+235 10.166 15 10 58.448 0.496K23+063 9.729 15 10 58.448 0.:474K22+923 7.330 15 10 58.448 0.357K22+782 7.118 15 10 58.448 0.347K22+695 1.924 15 10 58.448 0.094K22+518 7.798 15 10 58.448 0.380K22+400 1.363 15 10 58.448 0.066K22+232 10.993 15 10 58.448 Ot536K22+032 10.806 15 10 58.448 0.527K21+860 3.080 15 10 58,448 0.150K21+648 3.948 15 10 58,448 0.192K21+400 5.299 15 10 58.448 OJ258K21+123 5.553 15 10 58.448 0.271K21+003 2.757 15 10 58.448 O.i134K20+915 2.757 15 10 58.448 0.134K20+783 2.106 15 10 58.448 0.103K20+632 1.504 15 10 58.448 0.073K20+523 7.315 15 10 58.448 0.1357K20+378 4.187 15 10 58.448 0.204K20+195 3.4351 15 10 58.448 0.167K20+068 13.715 15 10 58.448 0.669K19+978 12.794 15 10 58.448 0.624K19+798 2 67.640 15 10 58.448 3.297K19+723 0.628 15 10 58.448 0.031K19+675 0.259 15 10 58.448 0.013K19+578 0.206' 15 10 58.448 0.010

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-DBAIIOU.O UIIIIANOifli:ll.llirb1lll"lli[J~ ESTUDIO HIDR0I:~ICO, HIDRULICO y DE SOCAVACINDISENd DE SISTEMAS DE DRENAJECOrfraATO IDU159 DE 2005Vrsin 1 - Julio 28 de 2006 092JOYCO LTOA.

Tabla No. 6.5: Caudales :de Diseo. Tramo 2. Continuacin

Area Tc Diseo i QAbscisa Cuenca TR(ha)' (adopt) (aos) (mm/h) (m3/s)

K19+478 0.241: 15 10 58.448 0.012K19+360 3 12.072 15 10 58.448 0.588K19+288 2.674i 15 10 58.448 0.130K19+225 0.461' 15 10 58.448 0.022K19+178 4 12.442 15 10 58.448 0.607K19+108 5 2.448, 15 10 58.448 0.119K19+022 0.623: 15 10 58.448 0.030K18+920 1.075' 15 10 58.448 0.052K18+830 6 34.304 15 10 58.448 1.672K18+750 0.853!: 15 10 58.448 0.042K18+655 7 23.69R 15 10 58.448 1.155K18+500 1.385 15 10 58.448 0.068K18+356 2.581' 15 10 58.448 0.126K18+280 3.303: 15 10 58.448 0.161K18+145 5.999: 15 10 58.448 0.292K18+008 3.499: 15 10 58.448 0.171K17+806 1.862! 15 10 58.448 0;091K17+690 1.224: 15 10 58.448 0.060K17+638 8 18f3.9~5 20 100 6.024K17+512 0.776! 15 10 58.448 0.038

Tabla No. 6.5: Caudales de Diseo. Tramo 2. Continuacin

rea Tc Diseo i QAbscisa Cuenca (ha) (adopt) TR (mm/h) (m3/s)

(aos)K17+400 9 8.705 15 10 58.448 0.424K17+298 0.583 15 10 58.448 0.028K17+165 0.895' 15 10 58.448 0.044K17+023 1.832i 15 10 58.448 0.089K16+913 0.563: 15 10 58.448 0.027K16+810 1.081 15 10 58.448 0.053K16+753 10 9.075: 15 10 58.448 0.442

33Diagonal (Calle) 42 No. 48-51 Barrio La E$~ralda; Telfonos: 221 01 90 - 221 45 19 Fax: 3150792

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ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO Y DE SOCAVACINDISEO DE SISTEMAS DE DRENAJECONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006-~UIIIANO"t IiU~~lllIIuunUIlll JOYCO l TOA. 0917.-ESTUDIO HIDRULICO

El estudio hidrulico tuvo como objetivo .bsco el.de plantear el.sistema de drenaje de lava; evaluar las estructuras hidrulicas existentes y realizar el dimensionamiento de lasobras hidrulicas proyectadas.

7.1-Reconocimientos de Campo

Con el propsito de ,realizar la evalu.acin de la capacidad hidrulica de las obrasexistentes, se procedi a hacer ins~cciones de campo, donde mediante formatosdiseados para tal propsito, se. tom,informacin acerca del tipo de obra, el estadogeneral de la estructura, la configuracin de la entrada.y salida de la misma, el estado dela entrada y salida y la configuracin del descole correspondiente. Los formatosrealizados, se presentan en eIAnexoNf.'). 1.

7.2.-Planteamiento del Sistema de Dnmaje

Teniendo en cuenta que el alineamiento de la va se desarrolla a media ladera, seplantean drenajes conformados por ~fcantarillas, los cuales captan y conducen loscaudales generados en las cuencas de'llos drenajes naturales que atraviesa la va. Lasalcantarillas se complementan .con cypetas paralelas a la va, las.cuales tienen elpropsito de recoger y conducir la escorrenta generada en la va hacia las alcantarillas.

I

Con el propsito de que el aguadren~ hacia las cunetas, se han previsto pendientestransversales (bombeo) en el pavimento.:

i

Las alcantarillas descargarn el caudal I en la ladera, mediante descoles excavados entierra; en aquellos casos donde por ef~cto de la pendiente y tipo de suelo se puedangenerar fenmenos de erosin, se proy,ctarn estructuras de disipacin en la salida delas alcantarillas.

Teniendo en mente lo anterior, es claro que no conviene concentrar los caudales en pocasalcantarillas, si no que es mejor estable~r un nmero suficiente de condactos de maneratal que drenen caudales de menormagtJitud y por lo tanto menos susceptibles a generarproblemas de erosin. De otra parte desde el punto de vista ambiental, se debe procurarno alterar el patrn de drenaje natural y por lo tanto las alcantarillas no se debern limitara aquellas que permiten el paso de los drenajes naturales, si no que. adems debernpermitir el paso de la escorrenta genera~a en las laderas que colindan con la va; por lotanto es necesario poner alcantarillas,con una frecuencia suficiente, para permitir eldrenaje del agua obteniendo la mnima cpncentracin de caudales que resulte razonable.

El sistema de drenaje as planteado, seqomplementar con filtros ubicados al costado dela ladera en la "pata" del talud con el propsito de captar y drenar eventualesafloramientos de aguas subterrneas y el agua que de manera natural se infiltra por efectode la lluvia generando una migracin de la misma hacia la estructura del pavimentodesmejorando sus propiedades mecnicas.

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-DESAIIOU.O URBANO{iI.li11i11llliTUU!!

ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO Y DE SOCA VACINDISEO DE SISTEMAS DE DRENAJE

CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006

090JOYCO LTOA.

Por otro lado, con el propsito de evitar la ocurrencia de procesos erosivos en la cada yen el cauce receptor con la posible destruccin de la estructura misma, es conveniente laimplementacin de estructuras de diSipacin de energa en el descole de alcantarillascirculares o tipo cajn. Con ellas es posible el .transporte de un caudal de una cotasuperior a otra inferior manteniendq una energa cintica dentro de unos limitesadmisibles. Las dimensiones de esta estructura se mencionan en el numeral 8.3 delpresente informe. En el Plano No 3 se pueden observar las dimensiones de una cadaescalonada recomendada para sqpesar los problemas erosivos anteriormentemencionados.

7.3.-Dimensionamiento de Alcantarillas

Teniendo en cuenta que. la va se ~esarrolla a media ladera, es posible establecerpendientes para las alcantarillas que generen en el interior del conducto flujo supercrtico ytener desde el punto de vista hidrulieq.control del caudal en la entrada de la alcantarilla.

En el caso de control en la entrada de la alcantarilla, el agua adoptar una alturadeterminada en la entrada del conducto (Hw) y el flujo entrar al mismo pasando por laaltura crtica (dc) correspondiente al,piudal que est drenando, para luego buscar laprofundidad normal (dn). Si la altura del agua en el descole (Tw) es menor o igual a dn,buscar el nivel de Tw. Si Twes mayor a dn y menor que dc, en caso de que Tw seasuperior a dc pero en todo caso.inferior a la altura del conducto (O), se formar un resaltohidrulico dentro de la alcantarilla, pero el caudal descargado seguir siendo gobernadopor la entrada del conducto.

Aplicando la ecuacin de la energa ~ntre un punto localizado en inmediaciones de laentrada de la alcantarilla y otro IocaliZ:ldoen donde el flujo pasa por la altura crtica (dc),se obtiene la siguiente ecuacin:

donde:

Hw: Nivel del agua en inmediaciones de la entrada del conducto (m).dc : Altura crtica (m).Vc : Velocidad del flujo correspc:lpdientea la altura.crtica (mIs).K : Coeficiente de prdidas genl!:!radasen la entrada del conducto.

Los coeficientes de prdida K fueron cqpsultados en las curvas de descarga obtenidas porel U.S. Department of Transportatio~ de la Federal Highway Administration6; comoresultado de lo anterior, se decidi ad~ptar un coeficiente conservativo que abarcara unamplio rango de posibles situaciones igual a 0.5; por lo tanto la ecuacin anterior quedaigual a:

6 U. S. Department ofTransportation. Federal H~ghway Administration. " Hydraulic Charts for tbe SelectionofHighway Culverts. Hydraulic Engineering Citcular No. 5 ". Dic. 1965.

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ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO Y DE SOCAVAONDISEO DE SISTEMAS DE DRENAJECONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006 JO 089-DE5AIIIOU.O UIIUHO"Mi If11''iilllf-Jl. JOYCO L TOA.Con base en la expresin anterior, se. obtuvo el caudal mximo que pueden drenaralcantarillas con las siguientes secciones transversales:

I

-. Circular de 36".

-. Alcantarilla Cajn de 1.0 m x 1.0 m

-. Alcantarilla Cajn de 1.5 m x 1.0 m

-. Alcantarilla Cajn de 2.0 m x 1.0 m

-. Alcantarilla Cajn de 1.5 m x 1.5 m

-. Alcantarilla Cajn de2.0 m x 1.5 m

-. Alcantarilla Cajn de 3.0 m x 1.5 m

-. Alcantarilla Cajn de 2.0 m x 2.0 m

-. Alcantarilla Cajn de 3.0 m x 2.0 m

-. Alcantarilla Cajn de 4.0 m x 2.0 m

Los caudales mximos se obtuvieron considerando que el agua en la entrada de laalcantarilla no debe SObrepasarel nivel'qado por la relacin:

donde:

Hw: Nivel del agua en inmediaciones de la entrada del conducto (m).

D : Altura interna de la alcantarilla (m).

Dicho lmite se estableci consderendejas profundidades usuales a las cuales estarn lasalcantarillas y por lo tanto hasta donde es conveniente que suba el agua y de otra partecon el propsito de evitar que el flujo. obture la entrada del conducto, .en cuyo casocomenzara a operar con control de odf:icioy su capacidad hidrulica estaragobemadapor una ecuacin diferente a fa expuesta:

Los resultados obtenidos, se presentan en la Tabla No. 7.1.

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ESTUDIO HIDROL~ICO, HIDRULICO y DE SOCAVACIN JODISEO DE SISTEMAS DE DRENAJECONTRATO IDU 159 DE 2005Versin1-Julio28de2006 JOYCO LTDA. 088-DESAIIIOllO UIIAIIOTI"'nn.1J1irJ Tillt~Tabla No. 7.1: Capacidades Mximas de las Alcantarillas.

Seccin Q (m3/s) yc(m) Ve (mis) Hw(m) Hw/DH oD(m) B(m)24" 0.67 0.526 2.55 1.02 1.1436" 1.09 0.62 2.34 1.04 1.151.0 1.0 1.66 0.65 2.53 1.15 1.151.0 1.5 2.50 0.66 2.54 1.15 1.151.0 2.0 3.35 '. 0.66 2.54 1.15 1.151.5 1.5 4.60 0.99 3.11 1.73 1.151.5 2.0 6.10 0.98 3.10 1.72 1.151.5 3.0 9.20

.'

0.99 3.11 1.73 1.152.0 2.0 9.50 1.32 3.60 2.31 1.152.0 3.0 14.10 1.31 3.59 2.29 1.152.0 4.0 19.00 1.32 3.60 2.31 1.15

Para el dimensionamiento de la estructura de drenaje 'se tuvo en cuenta la capacidadhidrulica y la dimensin mnima de 36'1para todas las estructuras teniendo en cuenta lanormatividadvigente por el INVIAS(lnstituto Nacional de Vas). Cualquier cambio, alrespecto se debe consultar con sta enidad,

Los caudales as obtenidos se utilizaron como criterio para el dimensionamento de lasalcantarillas proyectadas y para evaluar la capacidad hidrulica de las alcantarillasexistentes. La pendiente longitudinal de las alcantarillas proyectadas se fij en 1.0%.

La geometra de las alcantarillas se presenta en las figuras Nos. 1 al 5; comose observa,la entrada de las alcantarillas de 36" debe ser de poceta Ner Figura No.2) si drenanicamente cunetas; sin embargo si ~dems de drenar cunetas capta algn drenajenatural, la entrada deber ser de aletas como lo muestra la Figura No. 4 . De otra parte silas condiciones del terreno lo permiten, es posible dejar en la salida de la alcantarilla de36" un cabezote al final de la tuber~ Ner Figuras No. 2 y 3); sin embargo si lascondiciones no son favorables, la salida deber ser de aletas como se presenta en laFigura No. 4.

En el caso de las alcantarillas cajn su geometra se sintetiza en las Figura No. 5; comose observa la entrada y salida deber tener aletas.

Para el diseo de las estructuras de disipacin, se emplearon los resultados de lasinvestigaciones de M. R Chamani y N. Rajaratnam7, en la cual se establece que 'lamanera ms eficiente de disipar energa es mediante un canal escalonado en el cual segenere flujo tipo chorro que se logra cuando:

7 M. R. Chamani y N. Rajaratnam. "Jet Flow OIlStepped Spillways" . Joumal ofHydraulic Engineering, Vol.120, NO.2 1994.

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ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO Y DE SOCAVACIN JODISEODE SISTEMAS DE DRENAJE 087CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1- Julio 28 de 2006 JOYCO LTOA.-DE5AIIOl1O UlUlOrITlnrlt-'mli1frli.flfiJ: S 0.8h

donde:

Yc.- altura crtica sobre el escaln en m.h .- altura del escaln en m.

La cantidad de energa disipada se puede determinar en.funcin de la altura crtica (Vc), laaltura del escaln (h), el nmero de escalones (N) y del coeficiente denominado O, deacuerdo con la ecuacin siguiente:

El coeficiente O, se puede determinar efuncin de la relacin entre la altura crtica (Vc) yla altura del escaln (h) y la relacin entre la altura del escaln (h) y la longitud del escaln(1),segn las siguientes ecuaciones:

b =0.54 +0.21TJTeniendo en cuenta lo anterior y. gen base en la topografa se identificaron lasalcantarillas que requeran estructura di$ipadora, obteniendo la siguiente relacin para lasalcantarillas.nuevas:

Abscisa Q (lis) Dimetro (")K16+515 86.0 36K16+548 17.0 36K21+860 150.0 36

En el caso de las alcantarillas existentes, tambin se revis cuales deberan sercomplementadas con estructuras disipadoras, obteniendo la siguiente relacin:

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-DE5AIIOU.O UIBAIIO'JIIC.,']'JI.'_'i

ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRULICO Y DE SOCAVACINDISEqDE SISTEMAS DE DRENAJE

CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1 - Julio 28 de 2006

086JOYCO L TOA.

Abscisa Q(Us)Dimetro

(")

K9+523 29 36

K9+688 36 36

K10+055 29 36

K11+350 -19 36

K13+495 21 36

K14+298 537 36

En la siguiente tabla se presenta el dimensionlmiento de las Estructuras de Disipacinobtenida para cada una de las alcclntaHlJas analizadas, para las cuales se garantiza unadisipacin mayor o igual al 76%.

Abscisa Q (m3/s) S(%) b (n'I) Vc (ro) h (m) I (m) D N DElEoK16+515 0.086 75 1

.'

0.091 0.4 0.53 0.514 6 0.852K16+548 0.017 93 1 0.031 0.4 0.4 0.851 4 0.957K21+860 0.15 79 1 0.132 0.4 0.5 0.384 8 0.814K9+523 0.029 86 1 0.044 0.4 0.45 0.736 3 0.888K9+688 0.036 84 1 0.051 0.4 0.48 0.693 3 0.863K10+055 0.029 71 1 0.044 0.4 0.56 0.752 3 0.897K11+350 0.019 74 1 0.033 0.4 0.54 0.840 2 0.911K13+425 0.021 75 1 , 0.036 0.4 0.53 0.818 3 0.929K14+298 0.537 70 1 0.309 0.5 0.71 0.207 15 0.764

7.4.-Dirnensionamiento de Cunetas

El caudal de diseo se obtuvo aplican(1io el Mtodo Racional, para lo cual se utiliz unperodo de retomo igual a 5 aos y un tHlmpo de concentracin mnimo de 15 minutos. Larazn de lo anterior tiene que ver con la curvatura de las curvas de intensidad - vs -duracin - perodo de retomo, en las cuales para duraciones pequeas, las intensidadestienden a infinito o magnitudes muy gr~ndes las cuales la atmsfera no puede generar;por . 10 tanto los hidrlogos han recomendado en la literatura tcnica utilizar valoresmnimos que oscilan entre 8 mio y 15 mln. En las normas de la Empresa de Acueducto serecomienda adoptar un valor mnimo de~5 mino

La cunetas Tipo se disearon con bas~ en las pendientes longitudinales mas crticas decada tramo localizadas entre las absclss K10+230 y la K10+670, para el Tramo I y parael Tramo 11 (abscisas entre K25+462 y K25+570) con un valor de 0.6%.

De acuerdo con las Normas RAS de la empresa de Acueducto la fuerza tractiva mnimapara lograr transporte de Sedimentos ~S(D=0.3Kg/m2).

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ESTUDIO HIDROLGICO, HIDRUliCO Y DE SOCAVACIN JODISEO DE SISTEMAS DE DRENAJE 085CONTRATO IDU 159 DE 2005Versin 1- Julio 28 de 2006 JOYCO LTOA.-DEWIOU.O UIUNO~. I.itlU ni! .fll1i11111La pendiente longitudinal mnima en la va debe ser de 0.6% para el diseo de lascunetas.

El rea aferente para cada cuneta cubre una extensin correspondiente a la escorrentlade la ladera y media banca (50 m)a lo largo de una longitud total de 100 m generando deesta forma un rea de 5000 m2.

Segn lo anterior, la expresin utilizadapara encontrar los caudales de diseo es:

Q = 2.78xCxixA (l/s)

Los caudales de diseo obtenidos, para cada tramo, con base en la especificacin anteriorson los mostrados en la Tabla No. 7.2.

Tabla No. 7.2. Caudales de Diseo.

Estacin C Tr i(mrn/h) Ancho long. A (Ha) Qd (l/s)(aos) (m) (m)El Hato 0.35 5 43.573 50.0 100.0 0.5 21.198Los Tunjos 0.35 5 48.739 50.0 100.0 0.5 23.712

Las Cunetas fueron dimensionadas asumiendo flujo uniforme, utilizando para ello elmodelo de Manning, el cual se puede expresar de la siguiente manera:

2/ 1/A R73 S/2

Q=----n

donde:

Q : caudal en m3/s.A : rea mojada en m2.R : radio hidrulico en m.S : pendiente del canal.n : coeficiente de rugosidad de Nlanning para el concreto (0.014).

Teniendo en cuenta la limitante existente en algunos sectores para el ancho de la va, seseleccion una cuneta triangular con pndientes en las paredes iguales a: 1:3 adyacente ala banca de la va y 3:1 en el costado de la ladera.

En vista de que esta va presenta d~erentes rangos de pendientes a lo largo de sutrazado, se disearon tres tipos decunetas con un tiempo de concentracin.mnimo de 15minutos, que satisfacen las condiciones de pendiente crtica y del resto de .las va. En laTabla No. 7.3 se expresan las caractersticas de dichas estructuras.

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CON1RATO IDU 159DE 2005 - , '.,08,1Versin 1- Julio 28 de 2006 JOYCO LTOA.

Tabla No. 7.3. Dimensiones de las cunetas

Tipo Prof. Agua S AreaV Caudal Altura Cuneta T

(m) (%) (m2) (mis) (lis) (m) (m)I 0.13 0.6 0.0427 0.878 37.468 0.16 0.5311 0.14 0.6 0.0482 0.914 44.042 0.17 0.57111 0.12 1.40 0.0375 1.295 48.553 0.15 0.50

Nota:-Las cunetas son revestidas en concreto con un n = 0.014.-T =Ancho Superficial de la Cuneta.

La distribucin de cada tipo de cuneta segn las condiciones del tramo se pueden apreciarde la Tabla No. 7.4 hasta la Tabla No. 7.6, mostradas a continuacin:

Tabla No.7.4: Ubicacin y longitud de la Cuneta Tipo I

Abscisa Inicial Abscisa Longitud CostadoFinal (m)K10+640 K10+670 30 Derecho

Ta 011bla No.7.5: Ubicacin y longitud de la Cuneta Tip

Abscisa Inicial Abscisa Longitud CostadoFinal (m)K24+988 K25+508 520 IzquierdoK26+070 K26+680 610 Derecho

Tabla No.7.6: Ubicacin y longitud de la Cuneta Tipo 111

Abscisa Inicial Abscisa Longitud CostadoFinal (m)K9+300 K10+640 1340 DerechoK10+670 K24+988 14318 DerechoK25+508 K27+200 1692 Izquierdo

En vista de que el talud se encuentra localizado al costado derecho de la va, tomandocomo referencia el abscisado realizado en la topografa, la ubicacin de las cunetas seconcentrar en esa zona en particular.

8.- SUBDRENAJES

Durante los periodos de lluvia parte de la escorrenta se infiltra en el suelo y el aguapuede migrar por el gradiente hidrulico hacia la estructura del pavimento humedecindolao saturndola desmejorando as las propiedades mecnicas de los materiales que laconforman; por lo tanto es conveniente buscar el medio por el cual se pueda evacuar elagua de infiltracin de manera rpida impidiendo el ingreso de la misma en la estructuradel pavimento .

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JO OS3JOYCO l TOA.

En general el.alineamiento de la va se desarrolla a meda ladera; el criterio del diseo delos subdrenajes fue el de disponer filtros longitudinales en el costado del talud, con elpropsito de captar las eventuales aguas de infiltracin que se pudiesen generar.

En aquellos sectores donde la va se encuentra en una seccin en cajn es decir, que serealizan cortes del terreno en ambos lados de la va para lograr la rasante de diseo, sedebe construir filtros en ambos costados de la va.

Todos los filtros as diseados debern descargar en las alcantarillas que se handispuesto a lo largo del alineamiento.

En general los suelos que se encuentran a lo largo de la va son de carcter limoso y/oarcilloso cuya conductividad hidrulica es del orden de 104 Y 10-8cm/s respectivamente.

segn lo anterior se proyectaron filtros longitudinales tipo Francs de 1.0 m deprofundidad por 0.60 m de ancho. Los filtros estn conformados por material granular cuyagradacin debe ajustarse a los ~equerimientos del Artculo 673 - 02 de lasEspecificaciones de Construccin dellnstituto Nacional de Vas; segn esta norma, elmaterial drenante deber cumplir con 1:1 siguiente distribucin granulomtrica:

Tabla No. 8.1: Disbibucin Granulomtrica para Filtros

Tamiz Alterno % Pasa(puliO3" 1002W'

70-100

2 60 -1001 %" 50-1001" , 35-80%" , 30-65%" 25-503/8" 20-45%" 15-35N04 12-30N08 6-20N016 0-10No 30 0-2

De otra parte dicho material granular deber estar envuelto por geotextl para permitir elpaso del agua impidiendo la contaminacin del material granular con partculas finasprovenientes del suelo.

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082)

JOYCO LTOA.

De acuerdo con los requerimientos del Artculo 673 - 02 de .las Especificaciones deConstruccin del Instituto Nacional de Vas los requerimientos hidrulicosmnimos que seexigirn a los geotextiles que se.empleen en la conformacin de los filtros se presentan acontinuacin:

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-DESAIIOl1O UIIIMO:Ml1,m.' ilij'j.I~ ESruDlO~~~~'i~~ig::~VACIN lfI1CONTRATO IDU 159 DE 2005 VVersinl-}ulio28de2006 JOYCO LTDA. 081Tabla No. 8.2: Requerimientos Hidrulicos para Geotextiles de Filtro

Valor Mnimo Promedio por Rollo

PROPIEDAD NORMA DE(VMPR)

ENSAYO florcentaje de suelo pasa Tamiz No. 200(0.075mm)(5)

Permitividad INVE-905 50

015S-1 0.2 S-1 0.1 S-1Tamao de Abertura INVE-907 0.43 mm 0.25 mm 0.22 mmAparente(6) (Tamiz 40) (Tamiz 60) (Tamiz 70)Estabilidad INV E-91OUltravioleta 50% despus de 500 horas de exposcn

Las propiedades mecnicas exigidas pOrel Artculo 673 - 02 para los geotextiles de filtroson los siguientes:

Tabla No. 8.3.: Requerimientos Mecnicos para Geotextiles de Filtro

Valor Mnimo Valor Mnimo

PROPIEDAD NORMA DE Promedio por RolloPromedio por

ENSAYO Rollo(VMPR)(1) (VMPR)(1)(Elongacin medida segn Elongacin Elongacinensayo .INVE-901) >50%(3) < 50%(2)Resistencia a la tensin INV E-901 700 N 1100 N(Grab)Resistencia al INVE-902 250 N 400 NpunzonamientoResistencia al rasgado INV E-903 250 N 250 N(4)trapezoidalResistencia al Estallido INVE-904 1300 kPa 2700 kPa(Mullen Bursa)

Es prcticamente imposible establecer con exactitud el caudal que en un momento dadofluye hacia un fiHro; por esta razn en la prctica se recomienda dimensionar los fiHrospara caudales conservadores adoptando la suma de dos tipos de caudal: el provenientede la escorrenta superficial no evacuada por el sistema externo de drenaje y el generadopor un acufero o del propio suelo saturado. Por lo tanto el caudal de diseo se estimcomo:

Qd=q+qo

Donde:Qd.- Caudal de diseo en lis ..q.- Caudal procedente de la escqrrenta superficial en lisqo.-Caudal procedente de un acqfero o del suelo saturado en lIs.

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0'80

JOYCO L TOA.

El caudal procedente de la escorrenta (q) se puede estimar mediante la siguienteexpresin:

q = 0.00028(1- e) i (B *1+ s)!B

Instituto de Desarrollo fI b.el' ranoi\ . elhro de Documentacin

Donde:q.- Caudal procedente de la escorrenta superficial en lis/m.C.- Coeficiente de escorrenta.i.-Intensidad en mm1h.S.- rea aportadora en m2.B.- Ancho de calzada enm.b.- Anchura de las bermas en m.

El caudal qo se puede estimar de acuerdo con las caractersticas de conductividadhidrulica del suelo, que en este caso se puede tipificar de baja. De acuerdo con laliteratura tcnica" dicho caudal es del orden de 4.0 I/slha.

Teniendo en consideracin un ancho de calzada de 5.0 m, un ancho de berma de 0.80 m,un rea de aporte promedio de 100 m2.y una intensidad de lluvia promedio diaria de 7.4mm/h (Tr = 3 aos), se obtiene uncauda q = 0.023 lis/m, lo que quiere decir que en unalongitud de 150 m, se genera un caudal de 3.39 lis.

De otra parte el caudal qo (4.0 lis/ha) que se genera para una longitud de 150 m es de0.06 lis.

Por lo tanto el caudal total de diseo es de 3.45 lis.

Para verificar que el material granular. que conforma el filtro es capaz de conducir elcaudal de diseo, se utiliz la ecuacin de Darcy la cual se puede expresar de la siguientemanera:

v=Ki

Donde:

V.- velocidad del flujo en cmls.K.- conductividad hidrulica en cm/s.1.- gradientehidrulico en cm/cm

La conductividad hidrulica del material.del filtro es del orden de 50 cm/s y la pendientemnima para el fiHroes de 2%; por lo tanto la velocidad del agua dentro del filtro es de 1.0cm/s; si se considera una seccin transversal de filtro de 1.0 mxO.60m, se tiene que elfiHro tendr una capacidad de evacuacin de 6.0 lis; por lo tanto se concluye que el filtroconsiderado descargando cada 150 m, es adecuado.

8 Rodrigo A. Lemos "Drenaje Vial Superficial y Subterrneo" Universidad del Cauca 199945

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