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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
A. Velocidad del flujo .......................................................................... 76
5.2.4.3. Alternativa 3: Cambio de Alineamiento y Rediseño de la Caja
Vehicular. ................................................................................................... 78
A. Velocidad del flujo .......................................................................... 81
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 18. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 2. ........................ 76
Tabla 19. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 3. ........................ 81
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 18. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+270. .................................. 62
Figura 19. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+140. .................................. 63
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 22. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+100. .................................. 64
Figura 23. Perfil del Flujo en Secciones Naturales. ............................................... 64
Figura 24. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 344. ............................ 66
Figura 25. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 270. ............................ 66
Figura 26. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 1. .. 67
Figura 27. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 1. .. 68
Figura 28. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 1. .. 68
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 31. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 1. .. 70
Figura 32. Perfil del Flujo en la Propuesta 1. ........................................................ 70
Figura 33. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 120. ............................ 72
Figura 34. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 109 ............................. 72
Figura 35. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 2. .. 73
xi
Figura 36. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 2. .. 73
Figura 37. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 2. .. 74
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 40. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 2. .. 75
Figura 41. Perfil del Flujo en la Propuesta 2. ........................................................ 76
Figura 42. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 180. ............................ 77
Figura 43. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 109. ............................ 77
Figura 44. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 3. .. 78
Figura 45. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 3. .. 78
Figura 46. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 3. .. 79
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 49. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 3. .. 80
Figura 50. Perfil del Flujo en la Propuesta 3. ........................................................ 81
Figura 51. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 180. ............................ 82
Figura 52. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 093. ............................ 82
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.
Fuente: Propia de Autores
Imagen 4. Geometría de caja vehicular en camino viejo a Güisquiliapa.
Fuente: Propia de Autores.
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
Fuente: Texto Básico de Hidrología (Gámez Morales, 2010)
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
Fuente: Texto Básico de Hidrología (Gámez Morales, 2010)
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.
Fuente: Texto Básico de Hidrología (Gámez Morales, 2010)
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.
Fuente: Texto Básico de Hidrología (Gámez Morales, 2010)
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
Cauces secundarios naturales o artificiales, en caso de
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.
Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)
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
Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)
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.
Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)
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
Fuente: Propia de Autores
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.
Fuente: Propia de Autores
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
Fuente: Propia de Autores
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.
Fuente: Propia de Autores
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
Fuente: Propia de Autores.
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
Cauces secundarios naturales o artificiales, en caso de
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
Fuente: Propia de Autores
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.
Fuente: Propia de Autores.
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.
Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)
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.
Fuente: Propia de Autores.
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016
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 19. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+140.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 20. Comportamiento del Flujo en la Sección de entrada de la caja vehicular.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016
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.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 22. Comportamiento del Flujo de la Sección 0+100.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 23. Perfil del Flujo en Secciones Naturales.
Fuente: Propia de Autores.
0 2 4 6 8 10493.8
494.0
494.2
494.4
494.6
494.8
495.0
495.2
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016 CAJA VEHICULAR
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
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016
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.
Fuente: Propia de Autores.
66
Figura 24. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 344.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 25. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 270.
Fuente: Propia de Autores.
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
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
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
TESIS Plan: Plan 01 01/12/2016
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
Figura 27. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 1.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 28. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 1.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 30. Comportamiento del flujo en la sección de salida de la caja puente para la
propuesta 1.
Fuente: Propia de Autores.
0 2 4 6 8494.0
494.2
494.4
494.6
494.8
495.0
495.2
495.4
495.6
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016 CAJA VEHICULAR
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016 CAJA VEHICULAR
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 31. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 1.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 32. Perfil del Flujo en la Propuesta 1.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
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
de control Observación
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
La velocidad mínima del
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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.
Figura 35. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 36. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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 37. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 38. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja puente para la
propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016 CAJA VEHICULAR
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.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 40. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016 CAJA VEHICULAR
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
Figura 41. Perfil del Flujo en la Propuesta 2.
Fuente: Propia de Autores.
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.
A. Velocidad del flujo
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
de control Observación
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
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
La velocidad mínima del
canal es superior al
parámetro de control, se
asume que no se darán
estancamientos ni
crecimiento de musgo en el
fondo del canal.
Tabla 18. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 2.
Fuente: Propia de Autores.
0 50 100 150 200 250 300 350 400488
490
492
494
496
498
500
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
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.
Figura 42. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 180.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 43. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 109.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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).
Figura 44. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 340 para la propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 45. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 280 para la propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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 46. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 140 para la propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 47. Comportamiento del flujo en la sección de entrada de la caja vehicular para la
propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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.
Fuente: Propia de Autores.
Figura 49. Comportamiento del flujo en la sección 0 + 100 para la propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
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
TESIS Plan: Plan 01 02/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 04/12/2016
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
Figura 50. Perfil del Flujo en la Propuesta 3.
Fuente: Propia de Autores.
A. Velocidad del flujo
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
de control Observación
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
produce la erosión del fondo
del canal.
Velocidad
Mínima en
el canal
4.03 m/s 0 + 093
2.5 pie/s
o
0.76 m/s
La velocidad mínima del
canal es superior al
parámetro de control, se
asume que no se darán
estancamientos ni
crecimiento de musgo en el
fondo del canal.
Tabla 19. Velocidades Máximas y Mínimas para la Alternativa 3.
Fuente: Propia de Autores.
0 50 100 150 200 250 300 350488
490
492
494
496
498
500
TESIS Plan: Plan 01 04/12/2016
Main Channel Distance (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
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.
Figura 52. Distribución de Velocidades en la Sección 0 + 093.
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
TESIS Plan: Plan 01 04/12/2016
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
TESIS Plan: Plan 01 04/12/2016
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.
Ayestas, S. M. (1994). Apuntes de Hidrología de Superficie. Managua: Printart
Editores.
Béjar, M. V. (2006). Hidrología Estadística. Cartago: Editorial Tecnológica de Costa
Rica.
Cahuana Andia, A., & Yugar Morales, W. (2009). MATERIAL DE APOYO
DIDACTICO PARA LA ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE DE LA
ASIGNATURA DE HIDROLOGIA CIV-233. Cochabamba.
Cañaveral Ortega, S. A. (s.f.). Historia del SUCS. Obtenido de DocSlide:
http://docslide.com.br/documents/historia-del-sucs.html
Chow, V. T. (1994). HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS. Bogotá: McGRAW-
HILL.
CORASCO. (2008). Manual para la revisión de estudios hidrotécnicos de drenaje
menor. Managua: Ministerio de Transporte e Infraestructura Division General
de Planificación.
Gámez Morales, W. R. (2010). TEXTO BÁSICO DE HIDROLOGÍA (Primera ed.).
Managua: UNA.
INETER. (2015). Programa Regional REDD/CCAD-GIZ. Managua.
Jinotepe, A. M. (s.f.). Caracterización del Municipio. Jinotepe.
Lanza Mejía, N. J. (2012). CAP. 8: MANUAL DE HEC RAS NELAME. Managua.
Lara, R. (19 de Septiembre de 2011). Persiste contaminación en río Chiquito de
León. El Nuevo Diario.
Lara, R. (8 de Julio de 2015). Cauces “crucificados” por tuberías de aguas servidas.
El Nuevo Diario.
88
Marín Cordova, C. A., Menjívar Leonardo, M. J., & Zavaleta Linares, J. M. (2012).
Diseño y Construcción de un canal hidráulico de pendiente variable para uso
didáctico e investigación. San Salvador.
Ministerio de Transportes y Comunicaciones. (s.f.). Manual de Hidrología, Hidráulica
y Drenaje. Lima.
Perez Campomanes, G. (2015). Manual de Hidrología Aplicada. Lima.
PROYECTO HIDROMETEOROLOGICO CENTROAMERICANO. (1972). MANUAL
DE INSTRUCCIONES, ESTUDIOS HIDROLOGICOS. San José.
Servín Peralta, J. F. (2010). “Obras de drenaje en caminos y el Impacto que éstas
causan en el entorno”. Veracruz.
Vrysxy. (21 de Octubre de 2010). Wikimedia Commons. Obtenido de Carazo
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.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 8. Levantamiento topográfico en la sección de salida del tramo revestido aguas
abajo.
Fuente: Propia de Autores.
91
Imagen 9. Caja Puente.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 10. Sección de entrada de la Caja Puente.
Fuente: Propia de Autores.
92
Imagen 11. Sección de salida de la Caja Puente.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 12. Cauce aguas arribas.
Fuente: Propia de Autores.
93
Imagen 13. Cauce aguas abajo.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 14. Daños provocados por el rebose en la caja vehicular.
Fuente: Propia de Autores.
94
Imagen 15. Arrastre de sedimentos y basura a la caja.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 16. Granulometría de la muestra 1.
Fuente: Propia de Autores.
95
Imagen 17. Granulometría de la muestra 2.
Fuente: Propia de Autores.
Imagen 18. Muestras para determinar los límites líquidos y plásticos.
Fuente: Propia de Autores.
96
7.2. FIGURAS
Figura 53. Elementos geométricos de secciones de canal.
Fuente: Hidráulica de canales abiertos (Chow, 1994)
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.
Fuente: Propia de Autores.
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
Composición Granulométrica del Material Tamizado
100
Tabla 21. Composición Granulométrica de la muestra 2.
Fuente: Propia de Autores.
Proyecto:
Descripción:
Operador:
Fecha:
Ensaye N° 1 Sondeo N° 1
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%
Composición Granulométrica del Material Tamizado
por la Malla N° 4
20 de Septiembre de 2016
DETERMINACION DE COMPOSICION GRANULOMETRICA
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.
Yane Zúniga Montenegro & Gerald Ingram Alfaro
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
Composición Granulométrica del Material Tamizado
101
Tabla 22. Límites de Atterberg
Fuente: Propia de Autores.
Proyecto:
Descripción:
Operador:
Fecha:
Ensaye N° 1 Sondeo N° 1
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)
Ps mas recipiente (2)
Agua: (1) - (2) = (3)
DETERMINACION DE LOS LIMITES DE ATTERBERG
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.
Yane Zúniga Montenegro & Gerald Ingram Alfaro
20 de Septiembre de 2016
Tabla de Factores para Calcular Límite Líquido
Factor K
Límite Líquido (6) * K (7)
Recipiente No.
Pw más recipiente (8)
Ps mas recipiente (9)
Agua: (8) - (9) = (10)
Ps mas recipiente (9)
Recipiente (11)
Ps: (9)- (11) = (12)
Límite Plástico 100(10)/(12)=13
Límite Plástico
102
Tabla 23. Tipo de Suelo según SUCS
Fuente: Propia de Autores.
Proyecto:
Descripción:
Operador:
Fecha:
Ensaye N° 1 Sondeo N° 1
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
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.
Yane Zúniga Montenegro & Gerald Ingram Alfaro
20 de Septiembre de 2016
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
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TESIS
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ASESOR
ESCALA
SIN ESCALA
ACOTACION
METROS
FECHA
DIC. 2016
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01
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Y AMBIENTE
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REVISION HIDROTECNICA Y PROPUESTA DE
MEJORA DE LA CAJA VEHICULAR LOCALIZADA
EN EL TRAMO LA BOTELLA-GÜISQUILIAPA DEL
MUNICIPIO DE JINOTEPE, CARAZO.
SECCIONES TRANSVERSALES DEL CAUCE
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DIC. 2016
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02
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Y AMBIENTE
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MEJORA DE LA CAJA VEHICULAR LOCALIZADA
EN EL TRAMO LA BOTELLA-GÜISQUILIAPA DEL
MUNICIPIO DE JINOTEPE, CARAZO.
SECCIONES TRANSVERSALES DEL CAUCE
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GERALD ALEXANDER INGRAM ALFARO
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SIN ESCALA
ACOTACION
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MEJORA DE LA CAJA VEHICULAR LOCALIZADA
EN EL TRAMO LA BOTELLA-GÜISQUILIAPA DEL
MUNICIPIO DE JINOTEPE, CARAZO.
DETALLES DE ALTERNATIVA DE SOLUCION # 1
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DETALLES DE ALTERNATIVA DE SOLUCION # 2
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MEJORA DE LA CAJA VEHICULAR LOCALIZADA
EN EL TRAMO LA BOTELLA-GÜISQUILIAPA DEL
MUNICIPIO DE JINOTEPE, CARAZO.
DETALLES DE ALTERNATIVA DE SOLUCION # 3
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