8 Análisis Hidráulico

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SIMAS
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PROYECTO EJECUTIVO DE DRENAJE PLUVIAL EN LA ZONA CENTRO DE
LA CIUDAD DE PIEDRAS NEGRAS, COAHUILA.
8 ANÁLISIS HIDRÁULICO (TRANSITO DE AVENIDAS).
PROYECTO EJECUTIVO DE DRENAJE PLUVIAL EN LA
ZONA CENTRO DE LA CIUDAD DE PIEDRAS NEGRAS,
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8 Análisis Hidráulico (Tránsito de Avenidas).
Metodología utilizada para el análisis hidráulico.
En el análisis hidráulico de los futuros interceptores, se considerando las
siguientes hipótesis:

Que los interceptores trabajaran
subterráneos, operando por gravedad.

Se consideran las características topográficas del trazo para definir la
pendiente de su rasante que permita su descarga al río Bravo arriba o
igual al nivel recomendado por el CILA, el NAME correspondiente al paso
de la avenida máxima histórica.

El diseño de los interceptores será para drenar un evento de lluvia
correspondiente a un periodo de retorno de 50 años, de acuerdo a los
resultados obtenidos en la evaluación del proyecto.
i)
como
conductos
tubulares
Calculo del flujo uniforme.
Son dos las ecuaciones que permiten el diseño del conducto:
La ecuación de continuidad.
Q=A V
La formula de Chezy para la fricción
V=C Rh **(1/2) S**(1/2)
El gasto se expresa entonces en la forma
Q= A V = C A Rh**(1/2) S**/1/2)
Donde el termino
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K= C A Rh**(1/2)
Es “factor de conducción de la sección del conducto
Si se usa Manning,
C = Rh **(1/2) / n
entonces
K = A Rh**(2/3) / n
La expresión
Zn = A Rh**(2/3) = n K
O también
A Rh**(2/3) = (n Q) / S**(1/2)
Y sin dimensiones para las secciones circular o herradura es:
ARh**(2/3)
------------D**8/3
ii)
=
nQ
---------------------D**(8/3) S**(1/2)
Conductos abiertos.
Para el caso del análisis del canal Tornillo II, la metodología utilizada fue la de
Incrementos Finitos en Canales Prismáticos, por ser el que tiene aplicaciones
más amplias debido a que es adecuado para el análisis de perfiles de flujo tanto
en canales prismáticos como no prismáticos.
El método de incrementos finitos se adapta mejor para realizar dicho cálculo si
el canal es prismático, la sección, pendiente y rugosidad son constantes siendo
entonces conveniente elegir secciones separadas a la misma distancia. A partir
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de una sección de control, se determinan sucesivamente los tirantes
procediendo hacia aguas arriba de dicha sección en el caso de flujo subcrítico
o hacia aguas abajo en el caso de supercrítico.
Un canal prismático limitado por las secciones 1 (aguas arriba) y 2 (aguas bajo)
separadas la distancia dx. aplicando la ecuación siguiente resulta:
dE = So – Sf ,
dx
E2 - E1 = (So – Sf) ∆x
en la cual:
Ef = yf + vf2/2g,
E2 = y2 + V2/2g,
S = -∆z/∆x
Es la pendiente de la plantilla y Sf es la pendiente media de fricción entre las
dos secciones calculadas a partir de la siguiente ecuación.
hf = Sf ∆x = ½ (Sf1 + Sf2) ∆x
donde Sf1 , Sf2 , son las pendientes de fricción en las secciones 1 y 2, las
cuales se pueden calcular con la fórmula de Manning, como sigue:
Sf1 = (V1n1 / Rh12/3 )2
Sf2 = (V2n2 / Rh2/3)2
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m
2
Tramo corto de un canal prismático
De acuerdo con el sentido en que se efectúa el cálculo, se conocerán las
características hidráulicas en alguna de las dos secciones, la 1 si el cálculo es
en la dirección del flujo o la 2 si es en dirección contraria. El procedimiento
consiste en suponer un valor tentativo del tirante en la sección desconocida y
ajustar dicho valor mediante la verificación a través de las ecuaciones
anteriores.
Cuando las secciones no están previamente especificadas y más bien se trata
de determinar el perfil completo, es factible volver al caso de los métodos
directos especificando más bien un tirante desconocido y calculando la
distancia a que se encuentra la sección que posee dicho tirante.
∆x =
E2 - E1
So - Sf
Sin embargo, es necesario que las características que se especifiquen para la
sección desconocida no produzcan longitudes dx muy grandes que induzcan
errores serios dado que se trata de un procedimiento de incrementos finitos.
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Análisis hidráulico.
El análisis hidráulico se aplico en dos etapas del estudio: en la primera para el
prediseño de las alternativas propuestas para atender la problemática de la
zona centro de la ciudad de Piedras Negras y una segunda para el diseño de los
proyectos ejecutivos de los interceptores que integran el sistema de drenaje
pluvial factible técnica y económicamente.
a) Análisis hidráulico de las alternativas.
Se realizaron los análisis hidráulicos de cada uno de los cinco sistemas de
drenaje propuestos para atender la problemática de drenaje pluvial de la zona
centro de la ciudad de Piedras Negras, como son:
i) La originalmente propuesta por SIMAS, que busca mediante tres
interceptores captar la lluvia y descargar al río Bravo, obteniéndose en
resumen los siguientes resultados, el detalle anexo 8.1.
ALTERNATIVA 1
TR = 25 AÑOS
AREA
Q M3/SEG.
Q SUMADO
ø
A1
1.44
A2
0.41
1.85
54"
A3
0.43
2.28
56"
A4
1.62
A5
0.69
2.31
54"
A6
1.53
3.84
64"
A7
0.57
A8
2.41
48"
46"
32"
2.98
58"
ii) Una segunda, basada en la de SIMAS que busca mejorar la captación con
más colectores a fin de disminuir los diámetros de las tuberías requeridas.
Obteniéndose los siguientes resultados, presentándose el detalle en el
anexo 8.1.
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ALTERNATIVA 2
TR = 25 AÑOS
AREA
Q M3/SEG.
Q SUMADO
ø
A1
0.87
A2
0.7
1.57
52"
A3
0.69
2.26
56"
A4
0.81
42"
40"
A5
1.9
2.71
56"
A6
1.15
3.86
64"
A7
1.13
A8
0.86
1.99
52"
A9
0.99
2.98
58"
42"
iii) Una tercera, que busca cambiar el esquema, considerando la nueva
información de la topografía, aplicando solo interceptores a fin disminuir su
desarrollo y evitar las grandes excavaciones. Obteniéndose los siguientes
resultados, presentándose el detalle en el anexo 8.1.
ALTERNATIVA 3
TR = 25 AÑOS
AREA
Q M3/SEG.
A1
0.59
A2
0.4
0.99
38"
A3
0.2
1.19
42"
A4
0.27
A5
0.28
0.55
36"
A6
0.54
1.09
48"
A7
0.73
A8
0.67
1.4
48"
A9
0.33
1.73
52"
A10
0.64
A11
0.75
1.39
48"
A12
0.73
2.12
56"
A13
0.47
A14
0.44
0.91
42"
A15
0.6
1.51
48"
A16
0.23
A17
0.42
0.65
36"
A18
0.38
1.03
44"
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Q SUMADO
ø
34"
26"
38"
64"
32"
26"
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iv) Una cuarta, en donde se busca aprovechar los canales de desalojo de
Tornillo II, y con ello disminuir la longitud de los interceptores de la
anterior alternativa.
ALTERNATIVA 4
TR = 25 AÑOS
Q SUMADO
ø
AREA
Q M3/SEG.
A1
0.59
A2
0.4
0.99
38"
A3
0.2
1.19
42"
A6
0.3
1.49
46"
A4
0.27
A5
0.41
0.68
40"
A6
1.49
2.17
62"
A7
0.73
A8
0.67
1.4
48"
1.73
52"
32"
28"
38"
A9
0.33
A10
0.64
A11
0.75
1.39
44"
A12
0.73
2.12
52"
34"
A13
0.6
34"
A14
0.27
26"
A15
0.38
0.65
38"
v) Revisar la posibilidad de adecuar el funcionamiento del canal de Tornillo
II para desalojar toda el agua pluvial. Del análisis se llegaron a las
siguientes conclusiones, el detalle del análisis en el anexo 8.1.




Existe una pendiente del tipo subcrítica a lo largo de la calle de
Xicoténcatl y continuando por el canal de Tornillo II, hasta la
barda de la aduana.
A partir de este punto existe un cambio de pendiente pasando a
una del tipo supercrítica.
Al realizar el análisis hidráulica correspondiente se determino que
existe un punto de control hidráulico, ubicado en el punto donde
se presenta el cambio de pendiente, que coincide con la ubicación
de la barda de la aduana.
Con ello el flujo aguas arriba de este control, se clasifica como
flujo subcrítico, y desde este se domina la magnitud de los
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tirantes de agua que se presentan aguas arriba en el canal y en las
calles de la ciudad, Xicoténcatl, con valores que van de 60 cm para
el manejo del evento de precipitación correspondiente a un tiempo
de retorno de 25 años.

También es claro que aguas abajo de la barda el canal presenta un
flujo supercrítico, el control del tirante es de aquí a aguas abajo
hasta el puente 1.
PERFIL HIDRAULICO BARDA-PTE 1
PUENTE 1
234.00
233.80
233.60
ELEVACIONES
233.40
233.20
233.00
232.80
232.60
Sa SUP. AGUA
232.40
So RASANTE
232.20
232.00
150.00 147.50 145.00 142.50 140.00 137.50 135.00 132.50 130.00
CADENAMIENTO

De acuerdo a los resultados alcanzados del análisis hidráulico la
pendiente supercrítica favorece para que todos los puentes
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ubicados en la aduana tengan capacidad para dar paso a un evento
de esta magnitud, probablemente el problema sea las altas
velocidades.
vi.- Determinación áreas de inundación en condiciones actuales.
Del análisis hidráulico último se obtuvieron los planos de inundación que
pudieran generarse ante la presencia de lluvias con distintos periodos de
retorno y zonas de influencia que se pudieran afectar. Así se obtuvieron los
valores de los tirantes que alcanzaría el agua en diversas zonas de la ciudad en
caso de no ejecutarse las obras propuestas, con esta información, se pudo
obtener el resultado final de los beneficios económicos que podría generar la
realización de las obras (Anexo 8.1).
Cabe señalar que las áreas de inundación se presentan en el área colindante al
inicio del canal el Tornillo II, continuación de la calle de Xicoténcatl, y de
acuerdo al análisis de este conducto este y la pendiente su parte baja
RELACION Tr-Qmax - y EN TORNILLO II.
Tr
Qmax
y
(AÑOS)
(M3/S)
(m)
10
4.7
0.58
20
5.5
0.64
25
5.8
0.65
50
6.6
0.7
100
7.4
0.75
200
8.2
0.79
500
9.2
0.84
1000
10
0.88
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Áreas de inundación para diferentes eventos pluviales.
b) Análisis hidráulico de los proyectos ejecutivos de los interceptores.
i)
Determinación del nível mínimo de descarga de cada interceptor
(CILA).
De acuerdo a la nota del 19 de agosto del 2008 el CILA, anexo 8.4, emite las
siguientes recomendaciones para determinar el nivel de descarga que deberán
respetar los interceptores propuestos. En ella se cita:
“el gasto máximo que históricamente a detectándola estación Hidrológica Piedras Negras,
es la un gasto de 6,600m3/seg, ya que es el agua que se ha escurrido y vertido al Rio Bravo
en la cuenca entre la Presa de la Amistad y la ciudad de Piedras Negras Coahuila, lo que
provoca una sobre elevación en el tirante de agua del el Rio Bravo de 10.67m, con lo que
se alcanza la cota de 218.82 msnm, así que, se sugiere que se mida la distancia entre la
estación y cada una de las descargas que se proyecten hacia el Rio Bravo, para así,
considerando una pendiente longitudinal del Rio Bravo de 0.50 metros por km, el NAME
en cada uno de los puntos de descarga.”
Para su atención se procedió a los siguientes pasos:
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i.
ii.
iii.
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Ubicar en el plano de INEGI digitalizado a escala 1:50,000 la
estación hidrométrica de Piedras Negras, Coah.
Ubicación de los puntos de descarga de cada interceptor, después de
pasar el bordo de protección y ubicarse dentro del área de
inundación del río Bravo.
Determinación de la distancia entre la estación y cada uno de los
puntos de descarga, considerando el desarrollo del rio Bravo.
ESTIMACIÓN DEL NIVEL MÍNIMO DE DESCARGA A CONSIDERAR EN LOS PROYECTOS DE LOS INTERCEPTORES
PLUVIALES DE PIEDRAS NEGRAS.
PENDIENTE
CONCEPTO
LONGITUD DE LA ESTACIÓN A EL
SITIO DE DESCARGA (KM)
** Q= 6,600 M3/S
ELEV msnm
ESTACIÓN
0.0005
INTERCEPTORES
PUEBLA
COLON
JIMÉNEZ
TERÁN
RAYÓN
COSS
-
327.75
533.67
846.10
1,226.99
1,535.87
1,732.38
218.82
218.66
218.55
218.40
218.21
218.05
217.95
** AVENIDA MÁXIM A HISTÓRICA REGISTRADA EN LA EST. DE PIEDRAS NEGRAS Y CONSIDERAR SEGÚN CILA.
Determinación de las distancias de cada descarga al sitio de la estación
hidrométrica de Piedras Negras Coah.
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El detalle del cálculo se presenta en el anexo 8.3.
ii)
Análisis hidráulico de los interceptores.
Se realizo el análisis hidráulico para el diseño de cinco interceptores, como
son:
i)
Puebla-Colon.- Este interceptor concentra los escurrimientos de dos
brazos; el primero es el que va por la calle de Puebla desde Victoria
hasta Padre de las Casa, donde cambia de rumbo y continúa por esta
calle esta confluir con el interceptor que viene por Colon. Un segundo
brazo que va por la calle de Colon, desde Victoria hasta recibir el
brazo de puebla en la calle de Padre de las casas y continuar hasta
descarga al río Bravo.
ii)
Jiménez.- Este interceptor va desde Victoria hasta descargar al rio
Bravo.
iii)
Terán.- Este interceptor va desde Galeana hasta descargar al rio
Bravo.
iv)
Rayón.- Este interceptor va desde Padre de las Casa hasta descargar
al rio Bravo.
v)
Dr. Coss.- Este interceptor va desde Padre de las Casas hasta
descargar al rio Bravo.
El análisis detallado de cada uno de ellos se presenta en el anexo 8.2.
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