ESTUDIO HIDROLOGIA.doc

MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE HEROINAS TOLEDO – CONCEPCION - JUNIN

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3.0 ESTUDIO DE HIDROLOGIA Y DRENAJE

1.1 INTRODUCCIÓN

1.1.1 GENERALIDADES

El presente documento, corresponde al ítem de Hidrología y Drenaje, del Proyecto de Mejoramiento Vial a nivel de Asfaltado del Camino Vecinal La Libertad San Antonio Distrito de Heroínas Toledo - Provincia de Concepción - Junín.

El Informe se ha estructurado en 5 ítems : (1) Introducción; (2) Caracterización General del Área de Estudio; (3) Hidrología; (4) Conclusiones y Recomendaciones; información complementaria se adjunta en la sección Anexos.

1.1.2 OBJETIVOS

Calcular los caudales de diseño de las obras de drenaje transversal y longitudinal, para el Proyecto de Pavimento Flexible (carpeta Asfáltica 2”) de la carretera “Mejoramiento Vial a nivel de Asfaltado del Camino Vecinal La Libertad San Antonio Distrito de Heroínas Toledo-Provincia De Concepción - Junín”.

Evaluar el sistema de drenaje existente y plantear la propuesta técnica para controlar el flujo de agua superficial y subsuperficial.

1.2 CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE PROYECTO

1.2.1 UBICACIÓN

El Distrito de Heroínas Toledo, está ubicado en la parte Oeste de la Provincia de Concepción Departamento de Junín; comprende la zona Central del Perú, cuenta con una altitud de 3,300 m.sn.m., esta enmarcado en la Micro cuenca del Río Mantaro, un Distrito de ámbito Rural.

La ubicación del estudio es el siguiente:

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“MEJORAMIENTO VIAL A NIVEL DE ASFALTADO DEL CAMINO VECINAL LA LIBERTAD, SAN ANTONIO – DISTRITO DE HEROINAS TOLEDO – CONCEPCION – JUNIN.”


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Lugar : Barrios La Libertad, San Antonio.Distrito : Heroínas ToledoProvincia : ConcepciónRegión : Junín

1.2.2 CARACTERIZACIÓN METEOROLÓGICA

1.2.2.1 Generalidades

Los tres principales parámetros meteorológicos de mayor importancia para el proyecto de la Pavimentación de la Carretera con Carpeta Asfáltica, (valores medios mensuales Temperatura: Tx, Humedad Relativa : HRx y Precipitación: Px), y en función de la información disponible, se puede caracterizarse la estación Cedropampa.

INFORMACIÓN GENERAL

ESTACIÓN TIPO/CÓDIGO UBICACIÓNALTITUD (m.s.n.m.)

ENTIDAD OPERANTE

GEOGRÁFICA POLÍTICA

LAT. S LONG. W DPTO. PROV. DIST.

1 Huancayo CO – H. Toledo Junín Concepción H. Toledo 3,300 SENAMHI

CO : Climatológica Ordinaria FUENTE: SENAMHI

1.2.2.2 Temperatura, Estación de Huayao

La temperatura media anual promedio, registrada en la estación Huayao, para el periodo 1949 - 1985, y asumida para los Tramos I y II, es de Tx = 4,1 °C, distribuyéndose mensualmente así:

ESTACIÓN CEDROPAMPATEMPERATURA MEDIA MENSUAL (°C)

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC MEDIA

24.0 25.0 22,0 20,0 18,0 19,0 21,00 22,0 19,0 18,0 17,0 20,0 20.42

FUENTE : , SENAMHI,

El valor promedio - como puede apreciarse - varía entre un máximo de 18 °C , y un mínimo de 09 °C.

1.2.2.3 Humedad Relativa

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La humedad relativa media anual promedio, en la estación Huayao, asumida para el proyecto, la HR = 76,1 %, mensualmente distribuida como sigue:

ESTACIÓN CEDROPMPAHUMEDAD RELATIVA MEDIA MENSUAL (%)

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC MEDIA

79,7 83,6 82,3 79,1 76,0 73,7 71,5 73,1 77,1 77,2 76,7 78,5 76,1

FUENTE : SENAMHI,

La variación del promedio se da entre un mínimo de 71,5 % en julio, y un máximo de 83,6 % en febrero.

1.2.2.4 Precipitación,

La precipitación total anual promedio, registrada en la estación Huayao es de Px = 1710.20 mm, variando entre un mínimo de 51.2, mm (julio) y un máximo de 283.0 mm (Enero), y que se distribuye por mes del siguiente modo:

ESTACIÓN CEDROPAMPAPRECIPITACIÓN TOTAL MENSUAL (mm)

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DICMEDIA

283,0 240.0 222.5 110.0 83.5 56.5 51.2 67.3 58.7 111.8 215.7 210 1710.20

FUENTE : SENAMHI,

Es posible distinguir la temporada lluviosa de octubre a abril, en que ocurre el 81% de la lluvia total anual, y otra relativamente más seca de mayo a setiembre (19% del total anual precipitado).

1.3 HIDROLOGÍA

1.3.1 GENERALIDADES

En el presente capítulo, se desarrolla a la par del marco teórico - metodológico, la estimación de los caudales máximos de diseño de la infraestructura de drenaje proyectada, a partir del análisis de la precipitación máxima en 24 horas (PM24hr), las características geomorfológicas de las zonas involucradas, y complementariamente, con la información del trabajo de campo efectuado.

1.3.2 INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA Y METEOROLÓGICA DISPONIBLE

1.3.2.1 Información Cartográfica

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Del Instituto Geográfico Nacional, IGN, la información cartográfica disponible fue la siguiente:

Descripción Escala

.* Mapa Físico Político del Perú 1 / 1 000 000

.* Mapa Vial del Perú 1 / 2 000 000

.* Mapa Departamental de Junin 1 / 1 000 000

.* Cartas Nacionales, Hojas : Junin, 1 / 100 000

1.3.2.2 Información Meteorológica

Se dispuso de la siguiente información pluviométrica:

PARÁMETRO ESTACIÓN PERIODO

Precipitación Máx. 24 Horas Huayao 2006 – 2008Precipitación Máx. 24 Horas Quichuas 2006 - 2007

1.3.3 TRABAJO DE CAMPO

En el trabajo de campo se efectuó el reconocimiento del eje vial de proyecto (en lo fisiográfico, hidrológico y de drenaje, entre otros aspectos), y el inventario y evaluación de las estructuras de cruce existentes y proyectadas.

1.3.4 ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE LA PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS

La PM24hr base, de las series de Huayao, fue sometida a un Análisis de Frecuencia, A. de F., con el objeto de determinar los valores para diferentes periodos de retorno (P.R.) de interés.

A partir de la PM24 hr, se obtuvieron las intensidades de precipitación (Curvas IDF), para duraciones de hasta 1 hora, y menores de 1 hora.

1.3.4.1 Análisis de Frecuencia de la Precipitación Máxima en 24 Horas

El resumen del A. de F. de la PM24hr de las series referidas, para diferentes P.R.

ANÁLISIS DE FRECUENCIAS PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



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DISTRIBUCIÓN PERIODO DE RETORNO (AÑOS)5 10 20 25 50 100(mm)

SERIE HUAYAO1.- Log Normal - 3 83.50 101.23 117.20 122.32 138.30 154.2

1.3.4.2 Precipitación Máxima en 24 Horas y Tiempos de Duración de Hasta 1 Hora

Siendo en su mayoría, áreas pequeñas las que aportan la escorrentía a evacuar con el drenaje en la Pavimentación, los tiempos de concentración serían menores a 24 horas; luego entonces se requiere disponer de precipitaciones máximas menores a 24 horas, y transformadas a intensidades de lluvia, lo que se consigue con las Curvas Intensidad - Duración y Frecuencia (Curvas IDF).

La PM24hr, de tipo convencional, según Hershfield (WMO), puede descomponerse en tiempos de duración menores hasta de 1 hora, en base a factores de duración y de área.

1.3.4.3 Intensidades de Precipitación para Duraciones de Hasta 1 Hora, Curvas IDF

Efectuada la descomposición de la PM24hr, en períodos de duración de t horas, P.R. (1 hr < t < 24 hr), en donde no hubiera pluviógrafos, se puede aproximar el cálculo de la intensidad de precipitación, dividiendo la PM para valores menores de 24 hr (de hasta de 1 hr), entre su duración, para diferentes P.R.Haciendo uso del criterio de Hershfield, se han obtenido los valores correspondientes que definen las curvas de Intensidad - duración y frecuencia de la variable aleatoria que se presentan en el siguiente.(Cuadro nª01)Como se sabe, el modelo matemático que relaciona estas tres variables (Intensidad - duración y frecuencia) tiene la siguiente forma genérica:

donde:K, m y n = Son parámetros de las características de la cuenca.

T = Período de retorno, en años.

d = duración efectiva de la lluvia, en horas

i = Intensidad de la lluvia en mm/h.

Para propósitos de diseño de las respectivas obras de drenaje, los períodos de retorno compatibles con la vida útil correspondiente han sido considerados los siguientes valores:Para alcantarillas de Concreto : 25 años

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Para cunetas de concreto : 20 años

CUADRO Nª 01

Duración FactorPeríodo de Retorno

5 10 20 25 50 10024 1 83.50 101.23 117.20 122.32 138.30 154.6212 0.94 78.49 95.16 110.17 114.98 130.00 145.349 0.9 75.15 91.11 105.48 110.09 124.47 139.166 0.83 69.31 84.02 97.28 101.53 114.79 128.334 0.73 60.96 73.90 85.56 89.29 100.96 112.873 0.65 54.28 65.80 76.18 79.51 89.90 100.502 0.53 44.26 53.65 62.12 64.83 73.30 81.951 0.4 33.40 40.49 46.88 48.93 55.32 61.85

1.3.4.4 Precipitación Máxima para Tiempos de Duración Menores de 1 Hora

El procedimiento para obtener las curvas IDF de la Huayao, consistió en la aplicación de la fórmula de Bell, tomando para ello como base, la precipitación de 1 hora de duración (t = 60 minutos) y período de retorno, P.R. : t = 10 años (pTt ).

El primer valor para las series de “Huayao” sería, entrando con: Duración = 1 hora y P.R. = 10 años.

Esto es posible, el obtener la lluvia p1060, que entra en la fórmula de Bell, a partir de las lluvias máximas diarias cuyos registros son más frecuentes, obteniéndose consecuentemente un segundo valor : 101.23 / 4,04 :

p1060 Huayao- Espíldora = 25 mm

Se emplearía el valor de p1060 Espíldora = 25 mm, en la fórmula de Bell para valores de precipitación máxima, PM, con duraciones menores a 1 hora.

1.3.4.5 Intensidades de Precipitación para Tiempos de Duración Menores a 1 Hora

A continuación, las PM para duraciones menores de 1 hora, fueron convertidas a intensidades de precipitación (referidas a 1 hora), con una regla de 3 simple (precipitación a convertir, multiplicada por 60 minutos, entre su duración en minutos).

Las Curvas IDF obtenidas - para duraciones menores de 1 hora - se visualizan en el Siguiente gráfico.

CUADRO Nª 02____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



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Duración-minuto

Período de Retorno5 10 20 25 50 100

60 1.00 33.40 65.84 118.61 145.00 276.93 540.7930 0.50 16.70 32.92 59.31 72.50 138.47 270.4025 0.42 13.92 27.43 49.42 60.42 115.39 225.3320 0.33 11.13 21.95 39.54 48.33 92.31 180.2615 0.25 8.35 16.46 29.65 36.25 69.23 135.205 0.08 2.78 5.49 9.88 12.08 23.08 45.07

Tales intensidades en mm/hr, y al 75% de su valor (para I5, I 10, I 15, I20, I25, I30 e I 60 minutos, en los P.R. elegidos) se emplearon en el cálculo de los caudales máximos de diseño para el sistema de drenaje previsto en el proyecto de la Pavimentación.

1.3.5 ESTIMACIÓN DE LOS CAUDALES MÁXIMOS DE DISEÑO

Para el dimensionamiento hidráulico de las estructuras de drenaje superficial, transversal (alcantarillas), y longitudinal (cunetas), de la pavimentación del Barrio La Libertad, San Antonio del Distrito de Heroínas Toledo, Provincia de Concepción - Junín. se estimaron los Caudales Máximos de Diseño, en base a la Precipitación Máxima en 24 Horas (PM24hr), y a las intensidades de precipitación (Curvas IDF).

Los caudales máximos de diseño para las estructuras de cruce, comparativamente, se obtuvieron por el método Método Racional. Se expone dicho método y a la vez, se hacen los cálculos correspondientes; los resultados obtenidos, tienen un carácter preliminar, como primeros valores que definen el orden de magnitud de las estructuras de cruce.

1.3.5.1 Obtención de los Caudales Máximos de Diseño por el Método Racional

A.- El Método Racional

El Método Racional (M.R.), y todos los métodos empíricos derivados de él, se usan “para diseñar drenes de tormenta, cunetas y alcantarillas y otras estructuras conductoras de aguas de escurrimiento de pequeñas áreas” (Linsley) pero “pueden involucrar grandes errores, ya que el proceso de escurrimiento, es muy complejo como para resumirlo en una fórmula de tipo directo, en la que solo intervienen el área de la cuenca y un coeficiente de escurrimiento” (Villón).

El tiempo necesario para llegar a este equilibrio es el tiempo de concentración, Tc, y para pequeñas áreas impermeables o permeables, se puede considerar que si la lluvia persiste con un ritmo uniforme durante un período como mínimo de una duración de Tc, el máximo del escurrimiento será igual al ritmo de la lluvia”.

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Esta es la base de la fórmula del Método Racional, M.R:

Q = C I A

Dónde:

Q =es el ritmo máximo del escurrimiento (L3/T),C= es un coeficiente de escurrimiento (se obtiene de tablas o se calcula), eI =es la intensidad de la lluvia (L/T).

A1.- Secuencia de aplicación del Método Racional en Alcantarillas

Para aplicar el M.R., es necesario determinar cada uno de los factores que intervienen en la fórmula, y para lograrlo, se siguen los siguientes pasos:

1° Se determina el coeficiente de escorrentía, C.

2° Se determina el tiempo de concentración (Tc) del Área que aporta escurrimiento, desde las nacientes, hasta la intersección con la Pavimentación (punto 1).

3° Se obtiene la intensidad máxima de la lluvia,(al 75% de su valor).

4° Se obtiene el área aportante (en ha).

5° Con esta información se calcula el escurrimiento.

A2.- Cálculo del Escurrimiento por el Método Racional en Alcantarillas.

1° El coeficiente de escurrimiento o escorrentía, C.

Se ha considerado C igual a 0.2735

2° El tiempo de concentración, Tc.Para las cuencas Tipo I , se tiene los siguientes parámetros geomorfológicos, se asume : Tc = Td = 10 min.

3° Tomar la intensidad de lluvia con Tc = Td = 10 min, para un periodo de retorno, P.R. = 25 años.

I2025 = 27.43mm/hr

Ajustada al 75% de su valor (0,75 * 22) : I2025 = 20.57 mm/hr

4° El área aportante de la Carretera La Libertad, San Antonio Distrito Heroinas Toledo

5° Aplicando la fórmula del método racional para obtener el escurrimiento máximo.

Q = C * I * A / 3,6Q = 0,6 * 20.57 * 2.5 / 3,6

Q = 8.57 m3/s

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El resumen del cálculo - en formato de cuadro - es el siguiente:

CAUDAL MÁXIMO DE DISEÑO POR EL MÉTODO RACIONALDESCRIPCIÓN FORMULA / VALOR

1.- Longitud Cauce Principal Lcp 800 m2.- Pendiente S 0,02 m/m3.- Tiempo de Concentración Tc Tc = 0,01947 * L 0,77 * S - 0,385 7.8 min.

(asumir) 10,004.- Intensidad de Lluvia I20

25 Cuadro 02 27.43 mm/hrAjustada al 75% 20.57

5.- Coeficiente Escorrentía C 0,356.- Área A 2.50 km2

7.- Caudal Máximo Q20 C * I * A / 3,6 8.57 m3/s

1.3.6 Determinación del caudal máximo para el diseño de cunetas por el método racional

1.3.6.1 Aplicación del Método Racional

1° El coeficiente de escurrimiento o escorrentía, C.Se estimó un valor para el coeficiente de escorrentía de C = 0,90.

2° El tiempo de concentración, Tc.Para la cuenca aportante “promedio” a la cuneta, se asume entonces:

Tc = Td = 10 min.CAUDAL MÁXIMO DE DISEÑO POR EL MÉTODO RACIONAL- CUNETASDESCRIPCIÓN FORMULA / VALOR

1.- Longitud Cauce Principal Lcp 250 m2.- Pendiente S 0,02 m/m3.- Tiempo de Concentración Tc Tc = 0,01947 * L 0,77 * S - 0,385 6.58 min.

(asumir) 10,004.- Intensidad de Lluvia I20

20 Cuadro 02 25.00 mm/hrAjustada al 75% 18.75

5.- Coeficiente Escorrentía C 0,906.- Área A 0.05 km2

7.- Caudal Máximo Q20 C * I * A / 3,6 0.23 m3/s

3° Tomar la intensidad de lluvia con Tc = Td = 10 min, para un periodo de retorno de P.R. = 20 años, I = 25.00 mm/hr, ajustada al 75% : I = 18.75 mm/hr

4° El área de la cuenca aportante a las cunetas.Para el cálculo de la cuenca receptora, se ha asumido que las cunetas, desaguarían en

alcantarillas ubicadas en promedio a una distancia entre ellas de 250 m.

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El ancho de las zonas aledañas se asume de 200 m, que incluye la superficie de la cuneta; el área resultante sería entonces de 50 000 m2 : A = 0,05 km2

5° Aplicando la fórmula del Método Racional para obtener el escurrimiento máximo :

Q = C * I * A / 3,6

Q = 0,9 * 18.75 * 0,05 / 3,6

Q = 0,23 m3/s Q = 230 l/s

Se estima entonces que, el escurrimiento máximo hacia las cunetas sería de 230 l/s.

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