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FONDO FINANCIERO DE
PROYECTOS DE DESARROLLO FONADE
INSTITUTO NACIONAL DE
VIAS - INVIAS
CONTRATO Nº 2092747 DE 2009
ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL, PARA
EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA MACARENA”,
TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA (HUILA); EN
DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES ARTERIALES
COMPLEMENTARIOS DE COMPETITIVIDAD
ESTUDIOS DE HIDROLOGÍA, HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN
094-F1-INF-VOL07-V1
SAN JUAN DE ARAMA – LA URIBE
K0+000 A K38+000
ORIGINAL
CONSORCIO SEIN
Carrera 49 A No 94-76
Teléfono:
6 21 60 88
Fax:
6 21 60 88
BOGOTÁ D.C
JUNIO 2010
ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
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CONTENIDO
1 ESTUDIO HIDROLÓGICO ................................................................................. 1-1 1.1. OBJETO Y LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO .................................................... 1-1 1.1.1. Introducción ................................................................................................... 1-1 1.1.2. Objetivo del Estudio ...................................................................................... 1-3 1.1.3. Localización del Proyecto .............................................................................. 1-3 1.1.4. Características Orográficas e Hidrográficas del Proyecto ............................. 1-3 1.2. RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN EXISTENTE ......................... 1-3 1.3. METODOLOGÍA ................................................................................................... 1-4 1.4. ALCANCE DE LOS ESTUDIOS............................................................................ 1-5 1.4.1. Alcance Específico del Estudio Climático...................................................... 1-5 1.4.2. Alcance Específico del Estudio Hidrológico .................................................. 1-5 1.5. CARTOGRAFÍA .................................................................................................... 1-5 1.6. ANÁLISIS DE LLUVIAS Y CLIMÁTICO ................................................................ 1-5 1.6.1. Información Climatológica ............................................................................. 1-5 1.6.2. Comportamiento de la Precipitación ............................................................. 1-6 1.7. FORMACIONES VEGETALES O ZONAS DE VIDA DEL MUNDO ...................... 1-7 1.8. ZONIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR CAPACIDAD DE USO DE LAS TIERRAS
.............................................................................................................................. 1-7 1.9. ZONIFICACIÓN AGROECOLÓGICA ................................................................... 1-8 1.10. ANÁLISIS DE CAUDALES ................................................................................. 1-9 1.10.1. Introducción ................................................................................................. 1-9 1.10.2. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia ..................................................... 1-9 1.10.3. Precipitación Máxima Anual en 24 Horas ................................................ 1-10 1.10.4. Caudales Máximos Instantáneos .............................................................. 1-10 1.11. JUSTIFICACIÓN DE FÓRMULAS EMPLEADAS ............................................. 1-23 1.11.1. Método de Chow para Análisis de Frecuencias de Variables Hidrológicas . 123 1.11.2. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia ................................................... 1-23 1.11.3. Tiempo de Concentración ......................................................................... 1-23 1.11.4. Modelo de Computador HEC-HMS ........................................................... 1-23 1.12. APLICACIÓN DE LAS TEORÍAS Y MÉTODOS DE PREDICCIÓN.................. 1-24 2 ESTUDIOS HIDRÁULICOS ............................................................................... 2-1 2.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 2-1 2.2 OBRAS MENORES .............................................................................................. 2-2 2.2.1 Criterios de diseño .......................................................................................... 2-2 \\Servidor\sein macarena\094_AREA TECNICA\HIDRAULICA\094F1-INF-VOL07-V1_K0-K38\094F1-INFVOL07-V1_K38.docx
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2.2.2 Obras de Drenaje ........................................................................................... 2-2 2.3 OBRAS MAYORES............................................................................................... 2-5 2.3.1 Introducción .................................................................................................... 2-5 2.3.2 Modelación Hidráulica .................................................................................... 2-6 2.4 SUBDRENAJE ...................................................................................................... 2-8 2.4.1 Introducción .................................................................................................... 2-8 2.4.2 Filtro Francés .................................................................................................. 2-8 2.4.3 Geodrén con Tubo ........................................................................................ 2-11 3 ESTUDIOS DE SOCAVACIÓN .......................................................................... 3-1 3.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 3-1 3.2 SOCAVACIÓN GENERALIZADA ......................................................................... 3-1 3.3 EROSIÓN LOCAL AL PIE DE OBRAS RODEADAS POR LA CORRIENTE ....... 3-3 3.4 EROSIÓN LOCAL AL PIE DE OBRAS UNIDAS A LA MARGEN ......................... 3-4 3.5 INFORMACIÓN EXISTENTE Y CÁLCULO DE SOCAVACIONES ...................... 3-5 4 ANEXOS, MEMORIAS DE CÁLCULO Y PLANOS........................................... 4-1 4.1 ANEXOS ............................................................................................................... 4-1 4.2 MEMORIAS DE CÁLCULO Y PLANOS................................................................ 4-1 5 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 5-1 LISTA DE CUADROS
1.
Características de Localización de Estaciones Hidroclimatológicas en la Zona del
Proyecto.
2.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Precipitación Promedio Mensual y Anual a Nivel
Multianual.
3.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Precipitación Máxima en 24 Horas a Nivel
Mensual y Anual Multianual.
4.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas, Precipitación Máxima Anual Histórica en 24
Horas.
5.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas, Curvas Intensidad – Duración – Frecuencia.
(Hojas No. 1 a 3 de 3).
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6.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas, Frecuencias de Precipitación Máxima Anual en
24 Horas. (Hojas 1 a 3 de 3).
7.
Características Hoyas Menores Hidrográficas Carretera La Macarena.
8.
Características Hoyas Hidrográficas Mayores Carretera La Macarena.
9.
Curvas de Masas de Aguaceros Puntuales. Área de Influencia Estación
Pluviográfica San Juan de Arama. (Hojas 1 a 3 de 3).
10.
Incrementos de Lluvia de los Aguaceros Puntuales. Área de Influencia Estaciones
Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y Climatológica Ordinaria
Mesetas. (Hojas No. 1 a 3 de 3).
11.
Incrementos Arreglados de Lluvia de los Aguaceros Puntuales. (Hojas 1 a 3 de 3).
12.
Incrementos Arreglados de Lluvia de los Aguaceros Espaciales. (Hojas 1 a 15 de
15).
13.
Inventario de Obras Existentes y Obras Proyectadas Vía San Juan de Arama - La
Uribe K0+000 – K38+000. (Hojas 1 a 15 de 15)
14.
Capacidad de Caudal de las Estructuras Hidráulicas de Desagüe de Obras
Propuestas Vía San Juan de Arama la Uribe de las Hoyas Hidrográficas
Identificadas en Restituciones Aerofotogramétricas.
15.
Características Geométricas Estructuras de Drenaje Proyectadas. (Hojas 1 a 10 de
10).
16.
Características Geométricas de las Cajas Recolectoras y de Unión. Vía San Juan
de Arama – La Uribe tramo K0+000 a K38+000. (Hojas 1 a 6 de 6).
17.
Cunetas Externas y Filtros a lo largo de la Vía. (Hojas 1 a 6 de 6).
18.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Las Acacias. (Hojas
1 a 6 de 6).
19.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Quebrada Honda. (Hojas
1 a 6 de 6).
20.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Curia. (Hojas 1 a 6
de 6).
21.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Tacuyá. (Hojas 1 a
6 de 6).
22.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño San José. (Hojas 1
a 6 de 6).
23.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño La Lajosa. (Hojas
1 a 6 de 6).
24.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Río Güejar (Hojas 1 a 6
de 6).
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Página iv
25.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Quebrada Santa Bárbara.
(Hojas 1 a 6 de 6).
26.
Niveles y Cotas Inferiores de Viga de Puentes Proyectados.
27.
Zona de Proyecto. Diámetros Representativos D84 del fondo del lecho de los
Cruces Importantes.
28.
Vía San Juan de Arama – La Uribe. Zona de Proyecto. Socavación Máxima
Generalizada del fondo del Cauce.
29.
Vía San Juan de Arama – La Uribe. Zona de Proyecto. Socavación Máxima en
Estribos.
LISTA DE FIGURAS
1.
Localización de Estaciones Hidroclimatológicas en la Zona del Proyecto.
2.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Histogramas de Precipitación Media Mensual a
Nivel Multianual. (Hojas No. 1 a 3 de 3).
3.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Histograma de Precipitación Máxima en 24
Horas Mensual a Nivel Multianual. (Hojas No. 1 a 3 de 3).
4.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Curvas Intensidad - Duración – Frecuencia.
(Hojas No. 1 a 3 de 3).
5.
Estaciones Pluviográfica San Juan de Arama, Pluviométrica La Uribe y
Climatológica Ordinaria Mesetas. Frecuencias de Precipitación Máxima Anual en
24 Horas. (Hojas No. 1 a 3 de 3).
6.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Las Acacias.
7.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Quebrada Honda.
8.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Curia.
9.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño Tacuya.
10.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño San José.
11.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Caño La Lajosa.
12.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Río Güejar.
13.
Hidráulica de Flujo para Diferentes Periodos de Retorno. Quebrada Santa Bárbara.
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LISTA DE PLANOS
Plano 1. Orografía e Hidrografía Sitio Zona de Proyecto. (Son 2)
Plano 2. Planta Perfil estructuras de Drenaje. (Son 48)
Plano 3. Detalles, Cortes y Secciones Transversales Típicas de las Obras de Drenaje.
(Son 5)
Plano 4. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Las Acacias. Planta y
Secciones Transversales.
Plano 5. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Honda. Planta y
Secciones Transversales.
Plano 6. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño Curía. Planta y Secciones
Transversales.
Plano 7. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño Tacuya. Planta y Secciones
Transversales.
Plano 8. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño San José. Planta y
Secciones Transversales.
Plano 9. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño La Lajosa. Planta y
Secciones Transversales.
Plano 10.Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Santa Bárbara. Planta
y Secciones Transversales.
Plano 11.Levantamiento Topográfico y Batimétrico del Río Güejar. Planta y Secciones
Transversales.
Plano 12. Implantación de Puentes Proyectados. (Son 8)
Plano 13. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
Plano 14. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
Plano 15. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
LISTA DE ANEXOS
1.
Información hidroclimatológica suministrada
Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM
por
el
Instituto
de
Hidrología,
2.
Inventario Levantamientos Obras Hidráulicas K00+000 – K38+000
3.
Características Granulométricas Materiales de Fondo de Cauce de las Corrientes
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ESTUDIO HIDROLÓGICO
1.1. OBJETO Y LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO
1.1.1. Introducción
Como parte del proceso de la consolidación de los corredores de comercio exterior, el
Gobierno Nacional ha identificado la necesidad de fortalecer la red vial de carreteras que
alimentan dichos corredores y que cumplen una labor primordial en los procesos de
producción, comercialización de productos, integración regional y nacional.
Al analizar la infraestructura vial del país, se encuentra que el sistema de carreteras se ha
consolidado en gran medida en el eje norte-sur, a través de las vías troncales que
recorren los valles de los ríos y bordean las cordilleras; no obstante las inversiones del
Gobierno Nacional sobre la red vial existente presenta debilidades tales como: i)
articulación deficiente con la red troncal; ii) restricciones de capacidad y nivel de servicio;
iii) características geométricas y geotécnicas que restringen el normal desplazamiento de
los vehículos; y, iv) deterioro superficial y estructural de sus pavimentos, entre otras.
En este sentido, y en el marco de una visión de competitividad, productividad e
integración regional, en el Plan Nacional de Desarrollo 2006 – 2010, se ha previsto el
desarrollo del programa de Corredores Arteriales Complementarios de Competitividad,
cuyo objetivo es consolidar una red de transporte articulada y eficiente, que con
adecuados niveles de servicio y de capacidad, que facilite la movilidad de pasajeros y la
conexión de los centros de producción con los centros de consumo y con los corredores
de comercio exterior, para de esta forma contribuir al logro de una mayor competitividad y
productividad de las regiones y del país. En consecuencia, y teniendo como marco el
documento CONPES 3536, el Ministerio de Transporte incluyó dentro de su priorización
el corredor Transversal de la Macarena.
De acuerdo con el desarrollo en infraestructura vial previsto a mediano plazo en
Colombia, se tiene que la transversal de la Macarena podría llegar a sustituir
temporalmente parte de la Carretera Marginal de la Selva, pues la necesidad de conectar
las regiones de Venezuela, Colombia, Ecuador, Perú y Bolivia por vía terrestre, hace que
ésta se traslade y se convierta en el nuevo eje de conexión entre el Norte y Sur dados los
compromisos de tipo geopolítico y comercial con el cual nació.
El proyecto de la Carretera Marginal de la Selva nace como un acuerdo de integración
internacional entre Bolivia, Perú, Ecuador y Colombia en el año de 1963. Posteriormente,
Venezuela se uniría al proyecto. La Carretera Marginal de la Selva es uno de los
principales proyectos de infraestructura de IIRSA para el Eje de Integración y Desarrollo
Andino.
En Colombia, la Carretera Marginal de la Selva toma los nombres de Troncal del Llano
entre Saravena (Arauca) y La Uribe (Meta) y el nombre de Troncal de la Selva entre Mina
Blanca (Caquetá) y Villa Garzón (Putumayo). También comparte un tramo de la Troncal
del Magdalena.
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La Troncal del Llano comunica a los departamentos de Arauca, Casanare y Meta, en
donde puede conectarse con Bogotá y el resto del país. Comienza en Saravena (Arauca)
en la frontera con Venezuela, pasando por Fortul y Tame. Luego penetra en Casanare,
pasando por Hato Corozal, Paz de Ariporo, Pore, hasta llegar a Yopal. De ahí sigue hasta
Aguazul (con cruce a Sogamoso y Tunja, en Boyacá), Tauramena, Monterrey y
Villanueva. Finalmente, penetra en el departamento del Meta, en el municipio de Barranca
de Upía, pasando por Restrepo, Cumaral, Villavicencio, Acacías, Guamal, San Martín,
Granada y finalmente La Uribe. El trayecto de entre La Uribe y San Vicente del Caguán no
se ha construido, especialmente por los problemas de orden público que se han
presentado en la última década.
La Troncal de la Selva parte de Mina Blanca el departamento del Caquetá (Donde se
conecta con la Vía a Neiva. A su paso enlaza las poblaciones de San Vicente del Caguán,
Puerto Rico, El Doncello, Florencia, Morelia, Yurayaco, Mocoa, Puerto Asís, Orito, San
Miguel y el puente internacional San Miguel en la frontera con Ecuador, el cual no ha sido
construido y aún hay varios tramos por terminar.
Por lo anterior, se considera acertada la decisión del gobierno nacional de construir la
Troncal de la Macarena con el fin de estructurar un corredor que permita estrechar los
lazos comercial entre Ecuador – Colombia y Venezuela, mientras se continúa con la
construcción de varios sectores faltantes de la Carretera Marginal de la Selva.
El proyecto de estudio corresponde a la denominada “Transversal de la Macarena”, que
se encuentra localizada entre los departamentos de Huila y Meta. La vía está constituida
por una calzada sencilla de dos carriles (bidireccional), con anchos de vía actual que van
desde los 4 hasta los 9 metros, bermas y cunetas, con radios de curvatura horizontales
que oscilan entre los 10 m y 70 m y con pendientes entre el 4% y el 16%, en topografía
variada entre plana, montañosa y escarpada1.
El objeto de este estudio es el llevar a cabo los estudios de hidrología, hidráulica y
socavación, y diseñar las obras de drenaje dentro de los estudios y diseños y
mejoramiento de la vía situada en el departamento del Meta, entre los municipios de San
Juan de Arama y La Uribe.
La construcción de obras civiles como las que se llevarán a cabo durante la ejecución del
proyecto, producirá mínimas alteraciones en el entorno a corto y largo plazo, pues se ha
respetado al máximo su trazado existente. Las alteraciones dependerán de la magnitud
de las obras que haya que implementar, principalmente en lo relacionado con obras
hidráulicas para captación y transporte del agua de escorrentía.
Uno de los factores que influyen e inciden sobre la magnitud y duración de algunos
efectos ambientales, lo constituyen las características climáticas y las condiciones
hidrológicas existentes en el área de influencia del proyecto, con especial énfasis en la
Documento Conpes 3536. Consejo Nacional de Política Económica y Social. Ministerio de transporte – INVIAS Versión
Julio 18 de 2008
1
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determinación cuantitativa del agua superficial producida por las corrientes de agua que
cruzan la vía.
1.1.2. Objetivo del Estudio
El objetivo principal de este estudio es identificar y cuantificar las condiciones climáticas e
hidrológicas existentes en el área de influencia del proyecto, con el fin de dimensionar y
diseñar adecuadamente todas las obras de drenaje de la vía. Para ello, los estudios se
han concentrado en calcular el caudal máximo instantáneo de diseño asignado a un
periodo de retorno específico, la hidráulica del flujo para calcular el tamaño de las
estructuras hidráulicas definidas para transportar el referido caudal de diseño, y
analizando el comportamiento de este último dentro de las primeras.
En segundo lugar, como otro objetivo de importancia del estudio, se calcularon todas las
condiciones hidroclimatológicas que encontrarán los contratistas de construcción de los
diferentes elementos de la vía, con el fin que puedan definir adecuadamente sus
rendimientos y forma óptima de trabajo, analizando su incidencia en las actividades de
construcción y pavimentación del proyecto.
1.1.3. Localización del Proyecto
La localización general del proyecto se presenta en el Plano 1. El proyecto inicia en el
municipio de San Juan de Arama y toma sentido oriente – occidente pasando por los
municipios de Mesetas, el Jardín de Las Peñas y finalmente terminar en el municipio de la
Uribe.
1.1.4. Características Orográficas e Hidrográficas del Proyecto
La ubicación e hidrografía de la zona se presenta en el Plano 1. Orográficamente, la vía
en general transcurre sobre terreno plano, sobre terraplenes para conformar la banca de
la vía.
La vía en el tramo de 38 km en estudio cruza cuarenta y dos (42) hoyas hidrográficas,
incluyendo los cruces con la Quebrada Honda, el Río Quejar y el Río Cafre, los cuales se
consideran como los cruces más importantes para este tramo.
1.2. RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN EXISTENTE
El estudio se realizó con información secundaria recopilada en el Instituto Geográfico
Agustín Codazzi, IGAC y en el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales, IDEAM, complementada con información primaria recolectada por los
consultores durante el trabajo de campo.
La información secundaria se obtuvo de los siguientes documentos:
•
Restituciones aerofotogramétricas del IGAC para la región en escala 1:25000.
•
Restituciones aerofotogramétricas del IGAC para la región en escala 1:100000.
•
Valores medios mensuales de precipitación total mensual, máxima en 24 h,
tomados de datos suministrados por el IDEAM en la zona de proyecto,
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representativos de la climatología, y con un período de registro de suficiente
longitud para poder tener una buena confiabilidad en los datos climatológicos
resultantes.
La información primaria se recopiló en campo, y se refiere a las caracterizaciones
hidrológicas e hidráulicas pertinentes para el diseño del adecuado drenaje de la vía.
Tanto la información secundaria como la primaria se analizaron según los procedimientos
estadísticos y matemáticos requeridos.
1.3. METODOLOGÍA
En primer término, los estudios hidrológicos se dirigieron a definir las principales
características climatológicas de la zona, a nivel mensual multianual, tales como
precipitación total mensual y precipitación máxima en 24 horas, para suministrar
información al Contratista de las obras sobre las condiciones climáticas que puede hallar
en la zona del proyecto.
Adicionalmente, se encaminaron a determinar caudales en las diferentes corrientes de
agua identificables en restituciones aerofotogramétricas en escala 1:25000 y 1:100000
que cruzarán la vía con el fin de diseñar las estructuras de drenaje necesarias para drenar
la carretera.
Con base en las restituciones aerofotogramétricas del IGAC existentes para la zona, se
determinaron las principales características geométricas de las hoyas hidrográficas, las
cuales fueron complementadas a través de visitas a campo para definir las características
morfológicas de las referidas cuencas, que sirvieron para determinar, entre otros, la
respuesta a eventos de precipitación extrema en términos de escorrentía superficial. Se
definieron para esto características desde el punto de vista de suelo, vegetación, etc.
Se calcularon las características del aguacero de diseño. Se escogieron registros
históricos de estaciones registradoras de lluvia lo más cercanas posible a los sitios de la
carretera, y que representaran condiciones de aguaceros típicas en las diferentes hoyas
hidrográficas. Para los aguaceros se definió, entonces, la lluvia precipitada asociada a un
período de retorno específico.
Se determinaron las áreas de drenaje de planos topográficos, los coeficientes de
escorrentía se definieron apropiadamente de caracterizaciones de campo y estudios
elaborados por otros, y las intensidades de precipitación de lluvias, como se mencionó
con anterioridad, se calcularon lo más típicas posibles de las zonas del proyecto.
Para áreas de drenaje menores a 2.5 km2 se utilizó el Método Racional mientras que para
las hoyas hidrográficas mayores a 2.5 km2 se utilizó la metodología del hidrograma
unitario sintético del Soil Conservation Service del Departamento de Agricultura de los
Estados Unidos de América, a los cuales se les aplicó la lluvia efectiva de diseño.
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PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
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1.4. ALCANCE DE LOS ESTUDIOS
1.4.1. Alcance Específico del Estudio Climático
Conocer el comportamiento temporal, a nivel mensual y anual multianual, de la
precipitación total y máxima en 24 h, en el área de influencia del proyecto, para definir las
condiciones climáticas existentes que permitan una adecuada planeación de su
construcción y operación.
1.4.2. Alcance Específico del Estudio Hidrológico
El estudio hidrológico tiene como objetivos específicos:
• Identificar todos los cuerpos y cursos de agua que cruzan la vía.
• Determinar las cuencas de los ríos, quebradas y demás corrientes de agua que cruzan
la vía, calculando para cada uno de éstas el área de drenaje de las mismas y la
longitud y elevaciones máximas y mínimas del cauce principal.
• Cuantificar los caudales máximos instantáneos para las corrientes que cruzan la
carretera, con el fin de conocer el comportamiento hidrológico de las mismas. En
relación con caudales máximos de todas las corrientes en el sitio de cruce de la vía,
se evaluará esta variable hidrológica, para períodos de retorno que sean variables,
adecuados con la magnitud de la obra.
1.5. CARTOGRAFÍA
Como se mencionó anteriormente, el estudio se realizó con información secundaria
recopilada en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC.
La información secundaria se obtuvo de los siguientes documentos:
• Planchas Cartográficas IGAC de la región a escala 1:25000, No. 305-III-A (1986), 305I-C (1986), 305-I-D (1979), 304-II-D (1986), 304-IV-B (1986),
• Planchas Cartográficas IGAC de la región a escala 1:100000, No. 284, 285, 304, 305 y
324.
1.6. ANÁLISIS DE LLUVIAS Y CLIMÁTICO
1.6.1. Información Climatológica
Para el análisis climático del corredor de la vía y de las áreas de drenaje aferentes a ésta,
se recopiló la información de la zona en el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales, IDEAM. En el Cuadro 1 se presenta el nombre, tipo y código de cada una de
las estaciones estudiadas y sus características de localización y elevación,
respectivamente para las estaciones medidoras de lluvia, mientras en la Figura 1 se
presenta su ubicación.
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1.6.2. Comportamiento de la Precipitación
1.6.2.1. Precipitación Media Mensual y Anual
En primera instancia, la definición a nivel mensual y anual multianual del parámetro
precipitación se ha basado en los datos presentados en el Cuadro 2 y en la Figura 2 para
las estaciones medidoras de precipitación San Juan de Arama, Mesetas y La Uribe
supuestas como representativas de este parámetro para el área de proyecto.
Para la estación pluviográfica San Juan de Arama, la precipitación total anual a nivel
multianual es en promedio anual igual a 2910.0 mm y varía entre un mínimo de 32.9 mm
para el mes de enero y un máximo de 416.2 mm para el mes de mayo. El régimen de
precipitación presenta una distribución monomodal a lo largo del año. El periodo lluvioso
se extiende durante los meses de abril a octubre, mientras la época de estiaje ocurre
durante los demás meses del año.
Para la estación climatológica ordinaria Mesetas, la precipitación total anual a nivel
multianual es en promedio anual igual a 2985.2 mm y varía entre un mínimo de 66.2 mm
para el mes de enero y un máximo de 397.8 mm para el mes de junio. El régimen de
precipitación presenta una distribución monomodal a lo largo del año. El periodo lluvioso
se extiende durante los meses de abril a octubre, mientras la época de estiaje ocurre
durante los demás meses del año.
Para la estación pluviométrica La Uribe, la precipitación total anual a nivel multianual es
en promedio anual igual a 3859.5 mm y varía entre un mínimo de 53.1 mm para el mes de
enero y un máximo de 624.5 mm para el mes de mayo. El régimen de precipitación
presenta una distribución monomodal a lo largo del año. El periodo lluvioso se extiende
durante los meses de abril a agosto, mientras la época de estiaje ocurre durante los
demás meses del año.
1.6.2.2. Precipitación Máxima en 24 Horas
Asimismo, la definición a nivel mensual y anual multianual del parámetro precipitación
máxima en 24 horas, se ha basado en los datos presentados en el Cuadro 3 y en la
Figura 3, para las estaciones medidoras de precipitación referidas anteriormente.
• La precipitación media máxima a nivel medio mensual multianual en un tiempo de 24
horas reportada en la Estación San Juan de Arama es en promedio anual igual a 120.2
mm y varía entre un mínimo de 55.0 mm para el mes de enero y un máximo de 165.0
mm en el mes de junio.
El régimen de precipitación presenta una época de valores menores y una de valores
mayores a lo largo del año. En promedio, los periodos de mayores valores se
extienden durante los meses de abril a octubre, mientras la época de menores valores
ocurre durante los demás meses del año.
• La precipitación media máxima a nivel medio mensual multianual en un tiempo de 24
horas reportada en la Estación Mesetas es en promedio anual igual a 111.7 mm y varía
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entre un mínimo de 79.0 mm para el mes de enero y un máximo de 148.5 mm en el
mes de junio.
El régimen de precipitación presenta una época de valores menores y una de valores
mayores a lo largo del año. En promedio, los periodos de mayores valores se
extienden durante los meses de abril a agosto y el mes de octubre, mientras la época
de menores valores ocurre durante los demás meses del año.
• La precipitación media máxima a nivel medio mensual multianual en un tiempo de 24
horas reportada en la Estación La Uribe es en promedio anual igual a 116.1 mm y varía
entre un mínimo de 66.0 mm para el mes de enero y un máximo de 185.0 mm en el
mes de julio.
El régimen de precipitación presenta una época de valores menores y una de valores
mayores a lo largo del año. En promedio, los periodos de mayores valores se
extienden durante los meses de abril a agosto, mientras la época de menores valores
ocurre durante los demás meses del año.
1.7. FORMACIONES VEGETALES O ZONAS DE VIDA DEL MUNDO
De acuerdo con la referencia bibliográfica (1) presentada al final del texto de este informe,
se presenta en el área de las cuencas hidrográficas aferentes a la vía la siguiente
formación vegetal o zona de vida del mundo:
• bp-MB. Bosque pluvial montano bajo. Precipitación total anual entre 4000 y 8000 mm.
Temperatura media anual entre 12 y 18 ºC, y potencial de evapotranspiración a nivel
anual entre 707 y 1000 mm.
• Bmh-T, Bosque Muy Húmedo Tropical. Precipitación a nivel anual multianual entre
4000 y 8000 mm y temperatura media anual mayor a 24 ºC, y potencial de
evapotranspiración potencial mayor a 1300 mm aproximadamente.
1.8. ZONIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR CAPACIDAD DE USO DE LAS TIERRAS
En la zona se distinguen los siguientes tipos de suelos de las hoyas hidrográficas
respectivas, de acuerdo con la capacidad de uso de las tierras, teniendo en consideración
la referencia bibliográfica (2) presentada al final del texto de este informe:
• Clase VII. Suelos que pertenecen a pendientes escarpadas de las partes medias y
altas de las cuencas hidrográficas. Usualmente también marcan el inicio de los límites
de las hoyas hidrográficas que son aferentes a los caños y ciénagas a la derecha de la
vía. Suelos con relieve similar a los de la clase VI o también muy escarpados, con
pendientes mayores al 50%; la erosión es más grave que en los suelos de clase VI. El
área puede estar afectada por erosión ligera hasta en un 100%, moderada hasta en un
70%, severa hasta en un 50%, y muy severa hasta en un 30%. Muy superficiales a
muy profundos, pedregosidad y rocosidad de nula a excesiva. Suelos salinos, salino –
sódicos hasta el 70% del área. Drenaje natural desde excesivo a muy pobre;
encharcamientos hasta de 120 días acumulados al año, las inundaciones ocurren de 4
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a 6 meses año. Retención de agua excesiva a muy baja, permeabilidad muy lenta a
muy rápida. Nivel de fertilidad alto a muy bajo. Por las inundaciones tan graves que
presenta esta clase de uso se limita principalmente a la vegetación forestal y en las
áreas de pendientes menos abruptas, a potreros con un muy cuidadoso manejo. En
general requiere un manejo extremadamente cuidadoso, especialmente en relación
con la conservación de las cuencas hidrográficas.
• Clase VIII. Suelos con las más severas limitaciones; que corresponden generalmente a
pendientes muy escarpadas y excesiva pedregosidad y jocosidad; muy superficiales; si
son planos, son improductivos en razón de una o varias de las siguientes limitaciones:
suelos salinos, salino – sódicos o rocosos, playas de arena, manglares, inundaciones
por más de 8 meses en el año. Deberá protegerse la vegetación natural existente, con
miras a la conservación de las cuencas hidrográficas y de la vida silvestre.
1.9. ZONIFICACIÓN AGROECOLÓGICA
De acuerdo con la referencia bibliográfica (3), se encuentra la siguiente zonificación
agroecológica sobre la zona de proyecto:
• UR. PLANICIE ALUVIAL Y FLUVIO MARINA. Tierras ubicadas en las regiones Andina
y Pacífica, sobre planos de inundación y terrazas con pendientes hasta un 7 % y
suelos del tipo Haplohemists, Fluvaquents, Hydraquents, Dystrudepts, Endoaquents,
Epiaquents, Hapludands, Hapludolls y Halaquepts, afectados en algunos sectores por
inundaciones; su vocación hace referencia a sistemas agroforestales, forestales de
protección y conservación de recursos hídricos e hidrobiológicos.
• VP. Pie de monte coluvio aluvial. Tierras ubicadas sobre abanicos, lomas y colinas,
terrazas y algunos glacis con pendientes desde 0 a 25 % y en algunos casos hasta el
50%. Algunos sectores presentas erosión en grado ligero a moderado y su vocación es
de cultivos permanentes de tipo intensivo y semi-intensivo.
• UA. ALTIPLANICIE ESTRUCTURAL., tierras ubicadas en la región de la Orinoquía, en
la altillanura bien drenada sobre mesas con pendientes entre 0 y 50% y suelos del tipo
Hapludoxs, Kanhapludults, Dystrudepts y Hapludults, presentando limitantes de
toxicidad por aluminio y por la presencia de costras petroférricas, su vocación es de
tipo silvopastoril y forestal de protección producción.
• OM: MONTAÑA FLUVIOGRAVITACIONAL,
ESTRUCTURAL – EROSIONAL,
ESTRUCTURAL Y DISOLUCIONAL. Tierras ubicadas en las regiones Andina, Caribe
y Orinoquía en pendientes superiores al 25% y suelo del tipo Dystrudepts, Udorthents,
Hapludands, Melanudands y Eutrudepts, afectadas en sectores por pedregosidad y por
erosión en grado ligero a moderado, siendo la vocación forestal de protección y de
protección producción.
• VL. LOMERÍO FLUVIO GRAVITACIONAL, ESTRUCTURAL – EROSIONAL Y
DISOLUCIONAL. Tierras ubicadas en las regiones Caribe y Andina en diferentes
pendientes y con suelos Udorthents, Quartzipsamments, Paleudults, Haploperoxs,
Hapludolls, Dystrudepts, Haplustepts, Haplutolls, Fluvaquents y Ustifluvents. Algunas
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unidades presentan afloramientos rocosos, pedregosidad en superficie y erosión de
tipo moderado a severo. La vocación es de tipo múltiple.
1.10. ANÁLISIS DE CAUDALES
1.10.1. Introducción
La totalidad de la escorrentía superficial fluye a la vía en terrenos llanos, para el tramo
inicial de 40 km desde el Municipio de San Juan de Arama se producen cuarenta y dos
cruces sobre la vía, la vía está influenciada por la estaciones San Juan de Arama,
Mesetas y La Uribe.
Para determinar la influencia a lo largo de la vía proyectada, de las estaciones
pluviométricas San Juan de Arama y Mesetas, adoptadas como representativas en la
zona de proyecto del tramo K0+000 al K38+000, se aplicó la metodología de los polígonos
de Thiessen, encontrándose que la estación San Juan de Arama tiene un área de
influencia desde la abscisa K00+000 hasta la abscisa K11+770. Entre tanto la Estación
Mesetas posee un área de influencia entre la abscisa K11+770 hasta la abscisa K46+000,
de ahí en adelante la estación representativa es la estación La Uribe. Sin embargo, para
esta entrega que va hasta la abscisa K38+000 las primeras dos estaciones son las
representativas.
1.10.2. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia
Los datos históricos de precipitación máxima anual en 24 horas de la estaciones
pluviográfica de San Juan de Arama, climatológica ordinaria Mesetas y pluviométrica La
Uribe se presentan en el Cuadro 4.
De acuerdo con la referencia bibliográfica (5), y a falta de datos históricos de lluvias para
pluviógrafos en el área de proyecto, se calcularon las curvas intensidad - duración frecuencia teniendo en cuenta la siguiente ecuación:
I = a ((Tb)/(tc)) x Md
En donde:
I:
T:
t:
M:
Intensidad de precipitación, mm/h.
Periodo de retorno, años.
Duración de la lluvia, horas.
Promedio de la precipitación máxima anual en 24 horas, mm.
La zona de proyecto se encuentra en la Región 4 definida por la referencia bibliográfica
(11) cuyos parámetros a, b, c y d son iguales respectivamente a 5.53, 0.17, 0.63 y 0.42.
De esta manera, la ecuación anterior queda:
I = 5.53((T0.17)/(t0.63)) x M0.42
Adicionalmente, teniendo en consideración los datos históricos a nivel promedio anual
multianual de la precipitación en 24 h en las estaciones previamente mencionadas, se ha
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calculado un valor promedio de la precipitación máxima anual en 24 horas igual a 112.36
mm para la estación San Juan de Arama, de 103.55 mm para la estación Mesetas y
119.25 mm para la estación La Uribe.
Con estos valores se han calculado las curvas intensidad - duración - frecuencia, las
cuales se presentan en el Cuadro 5 y en la Figura 4.
1.10.3. Precipitación Máxima Anual en 24 Horas
Los datos históricos de precipitación máxima anual en 24 horas de las estación
pluviográfica San Juan de Arama, presentados en el Cuadro 4, se ajustaron a las
distribuciones probabilísticas Normal, Gumbel, Pearson Tipo III, Log – Pearson Tipo III,
Log – Normal y EV3, a través de métodos estadísticos convencionales, de acuerdo con
las referencias bibliográficas (6) a (11), y los resultados de esta variable hidrológica,
relacionada a diferentes períodos de retorno, se presentan en el Cuadro 6 y en la Figura
5. Adicionalmente, para cada distribución probabilísticas se aplicó la prueba de Chi –
cuadrado, encontrándose que para los datos de las estaciones representativas San Juan
de Arama, Mesetas y La Uribe, las distribuciones Normal, EV3 y Gumbel respectivamente
son las que mejor los ajustan.
Para los estudios estadísticos, se siguió la metodología de Chow, en la que expresa que
los análisis de frecuencias de variables hidrológicas pueden llevarse a cabo a través de
ecuaciones del tipo:
XT = X + SK
En donde:
XT es la magnitud del evento que tiene un período de retorno T.
X
es el valor medio de la muestra.
S
es la desviación típica de la muestra.
K
es el factor de frecuencia, dependiente de la ley de probabilidades que se
seleccione.
1.10.4. Caudales Máximos Instantáneos
1.10.4.1. Introducción
Como se mencionó previamente, para áreas de drenaje menores a 2.5 km2 se utilizó el
Método Racional mientras que para las hoyas hidrográficas mayores a 2.5 km2 se utilizó la
metodología del hidrograma unitario sintético del Soil Conservation Service del
Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de América, a los cuales se les aplicó
la lluvia efectiva de diseño.
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1.10.4.2. Hoyas con Áreas Menores de Drenaje – Método Racional
• Introducción
El cálculo de los caudales máximos instantáneos para estas corrientes de agua se ha
definido a través del método Racional.
El método o fórmula Racional se utiliza ampliamente para áreas de drenaje de hoyas
hidrográficas, como ya ha sido mencionado anteriormente, hasta aproximadamente 2.5
km2.
El referido método está expresado por la siguiente ecuación:
Q = 0.27778 F C i A
En la cual:
Q:
F:
C:
i:
A:
Caudal máximo de descarga de escorrentía superficial, m3/s
Factor de reducción de la lluvia puntual por área de drenaje, valor
adimensional.
Coeficiente de escorrentía, valor adimensional
Intensidad de lluvia, mm/h.
Área de drenaje, km².
• Curvas Intensidad – Duración - Frecuencia
El valor de la intensidad de lluvia depende del tiempo de concentración de ésta, de la
frecuencia del aguacero de diseño con el cual se diseñen las obras que transportarán la
escorrentía superficial, y de la precipitación misma caída durante el mencionado
aguacero.
Las curvas intensidad – duración - frecuencia fueron deducidas para estos estudios y
presentadas previamente en este informe, y sus resultados se presentan en el Cuadro 5 y
en la Figura 4.
• Coeficiente de Escorrentía
El coeficiente de escorrentía C se define como la relación entre el volumen de agua
escurrido superficialmente y el volumen de agua precipitado. Este coeficiente depende
claramente de las características de drenaje de la hoya estudiada.
Se han definido los coeficiente de escorrentía iguales a 0.30, 0.36 y 0.41, de acuerdo con
las referencia bibliográficas (6) a (11), y considerando áreas de bosques y pastos, textura
del suelo arcilloso y margas limosas, y hoyas hidrográficas con pendientes entre 0 y 5 %,
entre 5 y 10 % y mayores al 10 % respectivamente.
• Áreas de Drenaje
El área de drenaje o tributaria corresponde al área en proyección horizontal aferente al
colector específico, y se expresará en kilómetros cuadrados.
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• Factor de Reducción de la Lluvia Puntual por Área de Drenaje
En general, la precipitación para una duración determinada (o, en otras palabras, la
intensidad promedio) decrece desde el centro de las tormentas, a medida que la distancia
se incrementa a partir de este punto. La precipitación máxima es representativa del centro
de las tormentas, por lo cual la precipitación promedio en la totalidad del área de drenaje
deberá ser menor, dependiendo del tamaño y forma de la cuenca, de las tormentas
históricas registradas, y de la localización del centro de precipitación máxima.
El cálculo de la reducción de la precipitación a medida que se incrementa el área de
drenaje se hace por medio de curvas de profundidad – área – duración para duraciones
determinadas de la precipitación. Para cada duración específica de la precipitación se
analizan las tormentas que tengan cubrimiento grande sobre el área de drenaje en
consideración, y que sean suficientemente intensas.
Posteriormente, se dibujan las isolíneas de precipitación de cada tormenta, y por medio
de éstas se calculan las curvas de profundidad de precipitación - área de drenaje para
cada duración.
La relación entre la profundidad de la precipitación, relacionada a diferentes áreas de
drenaje, y la precipitación puntual, definida como el factor de reducción, se calcula
posteriormente para modificar las curvas anteriores.
Finalmente, se calcula la envolvente de las curvas definidas en el paso anterior para cada
duración, la cual define la curva representativa de la relación profundidad de precipitación
- área de drenaje de la cuenca.
El coeficiente de reducción de la lluvia por el tamaño del área de drenaje se ha calculado,
en primer término, de acuerdo con la ecuación de Fhrüling que expresa:
Im = i0 f(a)
O:
im = i0 (1- 0.0054 A0.25)
En donde:
im:
i0:
Intensidad promedio de lluvia en la hoya hidrográfica, mm/h.
Intensidad de lluvia puntual medida en la estación registradora,
mm/h.
(1- 0.0054 A0.25):
coeficiente de reducción de la lluvia, f(a), por el
tamaño del área de drenaje A, estando esta última variable expresada en m2.
Con el fin de tener un valor más seguro y conservador en relación con este coeficiente, se
ha definido su valor final igual al resultante del valor promedio entre el calculado por
medio de la ecuación de Fhrüling y la unidad.
• Tiempo de Concentración
Cuando se utiliza la fórmula Racional, se debe suponer que el caudal máximo ocasionado
por una determinada intensidad del aguacero de diseño sobre un área de drenaje
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específica, es producido por el referido aguacero, el cual se prolonga durante un período
de tiempo igual al tiempo de concentración del flujo en el punto bajo consideración.
Técnicamente, se define este último como el tiempo de concentración, TC, el cual es el
tiempo requerido para que la escorrentía superficial llegue al punto bajo consideración
desde la parte más apartada del área de drenaje.
De acuerdo con las referencias bibliográficas (6) a (11) para el tiempo de concentración,
Tc, se han analizado las siguientes fórmulas:
9
Fórmula de Kirpich
TC = 3.9780 x L0.77 x S-0.385
En donde:
TC:
L:
S:
9
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
Longitud del cauce principal, en km.
Pendiente total del cauce principal, igual a la caída total entre la
longitud del cauce principal, en m/m.
Fórmula de Hathaway
Tc = (36.36 (Ln)0.467)/S0.234
En donde:
TC:
L:
S:
n:
9
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
Longitud del cauce principal, en km.
Pendiente del cauce principal, igual a la caída total entre la longitud
del cauce principal, en m/m.
Factor de rugosidad promedio de los suelos de la cuenca
hidrográfica, valor adimensional. Para suelos pobres en hierbas, con
cosechas en hilera o moderadamente rugoso y desnudo n es igual a
0.20; para suelos cubiertos por pastos n es igual a 0.40; y para
suelos cubiertos con bosques maderables desarrollados n es igual a
0.60. Para los suelos de las hoyas hidrográficas se ha calculado un
valor ponderado de este factor de rugosidad igual a 0.35, teniendo
en cuenta los siguientes usos del suelo promedio: bosque natural 12
%, cultivos permanentes 50 %, pasto natural 30 % y rastrojos 8 %.
Fórmula del California Culverts Practice:
TC = 60(11.9L3/H)0.385
En donde:
TC:
L:
H:
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
Longitud del cauce principal, en millas.
Diferencia de nivel entre el punto más alto de la divisoria topográfica
de la hoya hidrográfica y el sitio de salida, en pies.
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9
Fórmula del Soil Conservation Service, SCS
TC = 1.6667 (L0.8(2540 - 22.86 CN)0.7)/(14104 CN0.7Y 0.5)
En donde:
9
TC:
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en h.
L:
Longitud del cauce principal, en m.
CN:
Número de curva de la hoya hidrográfica, de acuerdo con el método
del SCS, adimensional.
Y:
Pendiente promedio de la cuenca, m/m.
Fórmula de George Rivero
TC = 16 L / ((1.05- 0.2 p)(100 S)0.04)
En donde:
9
TC:
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
L:
Longitud del cauce principal, en km.
p:
Relación entre el área cubierta de vegetación y el área total de la
hoya, valor adimensional.
S:
Pendiente media del canal principal (m/m).
Fórmula del Federal Aviation Administration, FAA
TC = 1.8 (1.1 – C) L0.5 / S0.333
En donde:
9
TC:
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
C:
Coeficiente de escorrentía del método Racional, adimensional.
L:
Longitud del cauce principal, en pies.
S:
Pendiente de la superficie, en %.
Fórmula de Témez
Tc = 0,30 ( L / S0,25 )0,75
En donde:
Tc:
Tiempo de concentración, en h.
L:
Longitud del cauce principal, en km.
S:
Pendiente del cauce principal, en %.
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9
Fórmula de Giandiotti
Tc =
4 A + 1.5 L
25.3 LS o
En donde:
9
Tc:
Tiempo de concentración, en h.
A:
Área de la cuenca, en km2.
L:
Longitud del cauce principal, en km.
So:
Pendiente entre las cotas de puntos extremos de la corriente, en
m/m.
Fórmula de V.T Chow
Tc = 0.273*(L/S1/2)0.64
En donde:
9
Tc:
Tiempo de concentración, en h.
L:
Longitud del cauce principal, en km.
S:
Pendiente media ponderada la corriente, en m/m.
Fórmula del Cuerpo de Ingenieros
Tc = 0.280*(L/S1/4)0.76
En donde:
Tc:
Tiempo de concentración, en h.
L:
Longitud del cauce principal, en km.
S:
Pendiente media ponderada la corriente, en m/m.
Desde el punto de vista de la seguridad en la obtención de caudales máximos
instantáneos, se ha definido la fórmula de Kirpich para estos cálculos.
• Caudales Máximos Instantáneos
Los caudales máximos instantáneos se calculan a partir del método Racional y se
presentan los resultados para el Cuadro 7.
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1.10.4.3. Hoyas Hidrográficas Mayores a 2.5 km2 sin Datos Históricos de Caudal
• Introducción
En primer término, estos cálculos se han concentrado en hoyas hidrográficas con áreas
de drenaje mayores a 2.5 km2, debido a que no se contó con datos históricos de caudales
máximos instantáneos.
Para ello, se utilizó la metodología del hidrograma unitario sintético del Soil Conservation
Service del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de América, al cual se le
aplicó la lluvia efectiva de diseño.
Los lineamientos básicos de las teorías de este hidrograma unitario de escorrentía
superficial se explican pormenorizadamente en las referencias bibliográficas (6) y (11).
Tanto estos hidrogramas como los de creciente de escorrentía superficial para diferentes
periodos de retorno fueron calculados con base en el programa de computador HECHMS, de acuerdo con las referencias bibliográficas (13) presentadas al final del texto de
este informe.
En el Cuadro 8 se presentan las características geométricas más importantes de estas
cuencas hidrográficas, como son: área de drenaje, longitud del cauce principal y
pendiente total del cauce. Los cálculos de estos parámetros se han basado en mediciones
realizadas sobre restituciones aerofotogramétricas a escala 1:100000 y 1:25000.
A.
Hietogramas de los Aguaceros Puntuales
Con base en las curvas intensidad – duración – frecuencia presentadas en el Cuadro 5,
para la estaciones pluviográfica San Juan de Arama, climatológica ordinaria Mesetas y
pluviométrica La Uribe, se calcularon las curvas de masas de los aguaceros puntuales
para duraciones entre 0 y 180 min y periodos de retorno entre 2 y 100 años, las cuales se
presentan en el Cuadro 9.
Posteriormente, con base en estas curvas de masas se calcularon los hietogramas de los
aguaceros puntuales respectivos, los cuales se presentan en el Cuadro 10.
Para dar una secuencia más crítica del aguacero, como es usual en este tipo de análisis,
mediante el método del Bloque Alterno, los incrementos de lluvia de los hietogramas
mencionados previamente fueron arreglados de la siguiente manera: el valor más bajo se
colocó en el primer lugar, el segundo valor en orden creciente se colocó en último lugar, el
tercer valor en tal orden se ubicó en segundo lugar, el cuarto valor se localizó en el
penúltimo lugar, y así sucesivamente. El resultado de estos cálculos se presenta en el
Cuadro 11, y corresponde con los hietogramas de lluvia puntual de los aguaceros de
diseño.
B.
Hietogramas de los Aguaceros Espaciales
Los hietogramas de lluvia puntual fueron transformados a hietogramas de lluvia espacial,
para tener en cuenta el hecho de la espacialidad de la hoya, y de que la precipitación
promedio en un aguacero en una hoya es menor a medida que aumenta su área de
drenaje.
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El coeficiente de reducción de la lluvia por el tamaño del área de drenaje se ha calculado,
como ya fue mencionado anteriormente, y con el fin de tener un valor más seguro y
conservador en relación con este coeficiente, igual al valor promedio resultante entre el
calculado por medio de la ecuación de Fhrüling ya anotada en este informe y la unidad.
Sus valores para cada hoya hidrográfica se presentan en el Cuadro 8.
En el Cuadro 12, se presentan los hietogramas de lluvia espacial para las hoyas
hidrográficas consideradas como mayores para estos análisis.
C.
Método del Hidrograma Unitario del Soil Conservation Service
El hidrograma unitario es un modelo lineal simple que puede usarse para deducir el
hidrograma resultante de cualquier cantidad de exceso de lluvia, considerada como
uniforme en el espacio y variable en el tiempo. Las siguientes suposiciones básicas son
inherentes en este modelo:
• El exceso de precipitación tiene una intensidad constante dentro de la duración efectiva
y las tormentas seleccionadas para el análisis deben ser de corta duración.
• El exceso de precipitación está uniformemente distribuido en toda el área de drenaje; si
ésta es muy grande, debe dividirse en subcuencas analizando tormentas que cubran
toda la subárea.
• El tiempo base de la duración de la escorrentía directa resultante de un exceso de
lluvia de una duración dada es constante.
• Las ordenadas de todas las duraciones de escorrentía directa de una base de tiempo
común son directamente proporcionales a la cantidad total de escorrentía directa
representada por cada hidrograma.
Como tiempo de duración de la lluvia unitaria, se consideró menor ó igual a la quinta parte
del tiempo de concentración.
Para una cuenca dada el hidrograma resultante de un exceso de lluvia dado refleja las
características no cambiantes de la cuenca. El hidrograma unitario se considera único
para la cuenca dada, e invariable con respecto al tiempo, y es aplicable solamente cuando
no se presenten cambios ni almacenamientos apreciables en la cuenca estudiada.
A pesar de que el modelo fue desarrollado originalmente en cuencas grandes, se ha
encontrado que puede aplicarse a cuencas pequeñas desde menos de 2.5 hasta 250 km2
aproximadamente.
Para hallar el caudal máximo originado por la escorrentía directa, se utilizó el hidrograma
unitario curvilíneo, cuyo pico está definido la siguiente ecuación:
qp = 0.208 A E / Tp
Tp = (10/9) Tlag
Tlag = 0.6 Tc
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Siendo:
qp:
Caudal unitario máximo, en (m3/s)/mm de lluvia.
A:
Área de la cuenca considerada, en km2.
E:
Precipitación efectiva unitaria, en mm.
Tp:
Tiempo al pico del hidrograma, en horas, medido desde el
comienzo.
Tlag:
Tiempo de retardo en horas, medido entre los centros de gravedad
del hietograma de lluvia espacial e hidrograma unitario.
Tc:
Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, h.
L:
Longitud del cauce, en metros.
S:
Pendiente de la ladera de la cuenca, en m/m.
Para seguir la metodología del Soil Conservation Service, se ha tomado el tiempo de
concentración para las hoyas hidrográficas de acuerdo con esta metodología. Sus valores
se presentan en el Cuadro 8.
El valor CN corresponde con el número de curva de la metodología del Soil Conservation
Service, de acuerdo con las referencias bibliográficas (6) a (11).
De acuerdo con las caracterizaciones de campo y la información secundaria, se ha
seleccionado desde el punto de vista de la seguridad en relación caudales resultantes, un
valor de CN igual a 80, que corresponde con áreas en pastos y bosques, en condición
hidrológica regular 50 a 75 % del suelo cubierto, con pastoreo intensivo, sin maleza),
grupo de suelo hidrológico C (consiste de suelos con tasas de infiltración bajas cuando
están totalmente húmedos, con un estrato que impide el movimiento del agua hacia abajo;
suelos de texturas moderadamente finas a finas; suelos con infiltración lenta debido a
sales o álcali o suelos con niveles freáticos moderados; estos suelos pueden ser
pobremente drenados o bien a moderadamente bien drenados, con estratos de
permeabilidad lenta a muy lenta a poca profundidad (50 a 100 cm)), y con condición de
humedad antecedente tipo AMC-II (precipitación acumulada de los 5 días previos al
evento en consideración mayor o igual a 52.5 mm).
Con base en este valor de CN, la longitud del cauce principal y la pendiente de la cuenca,
se ha calculado el tiempo de desfase tlag, de las hoyas hidrográficas, el cual se presenta
en el Cuadro 8.
La distribución temporal del hietograma de lluvia efectiva que causa escorrentía
superficial, y la magnitud de las abstracciones de una tormenta, se pueden obtener por el
método del Soil Conservation Service, a partir de las siguientes relaciones empíricas:
Q=
( P − 0.20 S ) 2
P + 0.80 S
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S =
1000
− 10 . 0
CN
Donde:
D.
Q:
Escorrentía total acumulada, pulgadas
P:
Precipitación total del evento, pulgadas.
S:
Infiltración potencial ó retención potencial máxima, pulgadas.
CN:
Curva número.
Modelo Hidrológico HEC-HMS
El cálculo del hidrograma total se realizó considerando el hidrograma unitario afectado por
la escorrentía directa o precipitación efectiva en cada duración unitaria del hietograma, el
cual se va desplazando tal duración. El hidrograma total resultante es la suma de las
ordenadas de los diversos hidrogramas unitarios para cada valor constante de tiempo.
Para el presente estudio no se adicionó el caudal base, dado que no se posee
información para su obtención y que su porcentaje es mínimo en relación al caudal pico.
Para ello, se usó el modelo de computador HEC-HMS, considerando las referencias
bibliográficas (13) presentadas en el informe.
A continuación se presenta una descripción teórica del modelo de computador HEC-HMS:
1.
Descripción Modelo Hidrológico HEC-HMS.
Para los trabajos particulares relacionados con estos estudios, se utilizó la versión más
reciente de este modelo hidrológico HEC-HMS 3.3.
2.
Filosofía del Modelo
El modelo computacional HEC-HMS ha sido diseñado para simular la escorrentía
superficial en una corriente de agua en respuesta a un evento de precipitación como un
sistema interconectado de componentes hidrológicas e hidráulicas. Cada componente se
modela como un aspecto del proceso precipitación - escorrentía dentro de una porción de
la hoya hidrográfica, comúnmente referida como una subhoya. Una componente puede
representar una entidad de escorrentía superficial, un canal de una corriente, o un
embalse. La representación de una componente requiere de un conjunto de parámetros
que especifican las características particulares de tal componente y las relaciones
matemáticas que describen los procesos físicos que ocurren y la involucran. El resultado
del proceso de modelación es la determinación de los hidrogramas de creciente en puntos
determinados de la hoya hidrográfica.
3.
Componentes del Modelo
• Red de Canales
La hoya hidrográfica se subdivide en un sistema interconectado de canales utilizando
mapas topográficos y cualquier otra información geográfica que describa las
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características existentes o proyectadas de la red de drenaje. En primer término, se
delimita la hoya hidrográfica, la cual se subdivide posteriormente en un número
determinado de subhoyas de acuerdo con sus propias características, determinando el
ejercicio anterior el número y tipos de componentes de canales que se usan en el modelo
y su interrelación entre ellas.
• Componente de Escorrentía Superficial del Terreno
La componente de escorrentía superficial del terreno de las subhoyas se utiliza para
representar el movimiento del agua sobre la superficie del terreno y en los canales de las
respectivas subhoyas. El dato de entrada a esta componente es el hietograma de
precipitación total. La precipitación efectiva que produce escorrentía superficial se calcula
substrayendo al valor de la precipitación total la infiltración y las pérdidas por detención en
el terreno con base en una función de la tasa de infiltración del agua en el suelo. Para los
estimativos anteriores, se supone que la precipitación y la infiltración son uniformes sobre
cada una de las subhoyas establecidas. Estas pérdidas debidas a la intercepción
superficial del terreno, almacenamientos en depresiones e infiltración son denominadas
en el modelo computacional HEC-HMS como las pérdidas de la precipitación, las cuales
pueden ser estimadas a través de las siguientes metodologías: pérdida inicial y tasa de
pérdida uniforme; tasa de pérdida exponencial; método de la curva número CN del Soil
Conservation Service, SCS; tasa de pérdida de Holtan; y, función de infiltración de Green
y Ampt.
Los excesos de lluvia efectiva son posteriormente transitados a través de las técnicas del
hidrograma unitario o de la onda cinemática a la salida de la subhoya, estimándose el
hidrograma de escorrentía respectivo. La técnica del hidrograma unitario produce un
hidrograma de escorrentía en el punto más aguas abajo de la subhoya respectiva. Si la
ubicación para el cálculo de escorrentía no es apropiada, puede ser necesario subdividir
aún más la subhoya o utilizar el método de la onda cinemática para distribuir entradas de
caudal localizadas en puntos específicos.
El modelo computacional HEC-HMS tiene en cuenta las siguientes metodologías de
hidrogramas unitarios: Clark, Snyder y adimensional del SCS. Para las hoyas
hidrográficas en consideración, también por su simplicidad y uso arraigado, se ha tenido
en cuenta el método del hidrograma unitario adimensional del SCS, el cual se basa en las
características del tiempo de desfase, el cual a su vez se basa en el tiempo de
concentración, y en el área de drenaje de la subhoya considerada.
La transformación de la lluvia efectiva en escorrentía a través el método de la onda
cinemática permite una distribución uniforme de la escorrentía superficial sobre el terreno
a lo largo de la longitud del canal principal. Esta distribución uniforme de entradas de
caudal localizadas es particularmente importante en hoyas hidrográficas en donde
muchos canales laterales contribuyen al caudal a lo largo de la longitud del canal
principal. La distribución uniforme de escorrentía desde una subhoya se puede obtener
utilizando combinaciones de tres elementos conceptuales: áreas de flujo sobre el terreno,
canales colectores y un canal principal. La técnica de tránsito de la onda cinemática
puede ser utilizada para transitar la lluvia efectiva sobre las áreas de flujo sobre el terreno.
Por otro lado, tanto las técnicas de la onda cinemática como la de Muskingum - Cunge
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pueden ser usadas para transitar crecientes laterales entrantes a un canal colector y
aguas arriba de éste, y caudales laterales entrantes a través del canal principal. Sin
embargo, las teorías de la onda cinemática y de Muskingum - Cunge para el análisis en
los diferentes elementos de los canales no pueden ser entremezcladas.
En esta teoría, el elemento de flujo sobre el terreno es un canal rectangular ancho de
base unitaria, en el cual el valor de la rugosidad de Manning ha sido reemplazado por un
factor de rugosidad de flujo sobre el terreno. Cuando se aplica la teoría de la onda
cinemática a un elemento de flujo sobre el terreno, el caudal lateral entrante es la
precipitación efectiva, y la salida es un caudal por unidad de ancho. Un elemento de flujo
sobre el terreno se describe por medio de cuatro parámetros: su longitud típica de flujo
sobre el terreno, su pendiente y factor de rugosidad, y el porcentaje del área de la
subhoya representados por estos elementos previos. Un área de flujo sobre el terreno es
utilizada para modelar la escorrentía proveniente de usos de tierra permeables y otra área
es utilizada para modelar superficies impermeables. La creciente desde los elementos de
flujo sobre el terreno viaja hasta la salida de la subhoya a través de uno o dos elementos
de canales sucesivos. Un canal se define por su longitud, pendiente, rugosidad, forma,
ancho o diámetro, y talud de la sección transversal. El último canal en una subhoya es
llamado el canal principal, y cualquier canal intermedio entre los elementos de flujo sobre
el terreno y el canal principal es llamado canal colector.
• Componente de Tránsito en Canales
Se utiliza una componente de tránsito del hidrograma de escorrentía en los canales para
representar la transformación de la onda de creciente a lo largo de ellos. El dato de
entrada a esta componente es un hidrograma de creciente en el punto más aguas arriba,
resultante de contribuciones individuales o combinadas de escorrentía de las subhoyas y
de su tránsito en canales o embalses. Si se utiliza el método de la onda cinemática, la
escorrentía distribuida de los elementos de subhoyas localizadas dentro de la propia
subhoya en consideración es también un dato de entrada, el cual se combina con el
hidrograma de creciente más aguas arriba mencionado previamente, para ser transitados
hasta el final del tramo de canal. El hidrograma es transitado hasta punto más aguas
abajo del canal en estudio con base en las características geométricas y de rugosidad de
éste.
El tránsito de crecientes es utilizado para simular el movimiento de la onda de creciente a
través de tramos de canales y embalses. La mayoría de los métodos de tránsito de
crecientes disponibles en el modelo computacional HEC-HMS están basados en la
ecuación de continuidad y alguna otra relación entre el caudal y el almacenamiento o el
nivel de agua. Los métodos que utiliza este modelo son: Muskingum, Muskingum - Cunge,
onda cinemática, Puls modificado, de trabajo R y D, y tránsito de embalse nivel almacenamiento. En todos estos métodos, el tránsito procede sobre la base de un tramo
de canal independiente desde aguas arriba hacia aguas abajo; no se consideran efectos
de remanso ni discontinuidades en la superficie del agua tales como resaltos hidráulicos u
ondas de creciente de flujo rápidamente variado.
Los métodos de tránsito en embalses del modelo HEC-HMS son los que requieren datos
que definen las características del almacenamiento de un tramo de tránsito o embalse.
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Estos métodos son: Puls modificado, de trabajo R y D, y tránsito de embalse de nivel almacenamiento. También existen dos métodos de tránsito en HEC-HMS que están
basados sobre las ordenadas del hidrograma de creciente desfasadas. Estos últimos
métodos no tienen como punto de partida las características de almacenamiento del
embalse, pero han sido utilizados en numerosos ríos con buenos resultados.
• Uso Combinado de las Componentes de Tránsito en Canales y Escorrentía Superficial
de las Subhoyas
Se puede representar cualquier tipo de conexión de procesos de precipitación escorrentía en las subhoyas y el tránsito en canales en la hoya hidrográfica en estudio a
través de una combinación adecuada de las componentes de escorrentía superficial en
las subhoyas y de tránsito en canales. La conexión de las componentes de la red de
canales está implicada por el orden en el cual las componentes de los datos están
arregladas. La simulación debe siempre comenzar en la parte más aguas arriba de la
subhoya considerada en un ramal de la red de canales. La simulación procede hacia
aguas abajo hasta que se alcanza la confluencia respectiva. Antes de simular los
procesos aguas abajo de una confluencia, todas las crecientes hasta tal confluencia
deben ser calculadas y transitadas hasta ese punto.
• Componente de Tránsito en Embalses
La utilización de la componente de embalse es similar a la componente del tránsito en
canales. La componente de embalse opera recibiendo una creciente aguas arriba de éste
y transitando los caudales respectivos entrantes a través del embalse, utilizando métodos
de tránsito en embalses. Las metodologías para el tránsito de crecientes en embalses
con las cuales trabaja el modelo de computador HEC-HMS fueron explicadas con detalle
en la respectiva metodología para el tránsito de crecientes en canales.
• Otras Componentes
Aunque no fueron utilizadas en la modelación hidrológica, se mencionan otras
componentes del programa de computador HEC-HMS, con el fin de dar una completa
descripción de sus capacidades.
9
Componente de Desviación
La componente de desviación se utiliza para representar desviaciones o bifurcaciones en
un canal, o cualquier otra transferencia de flujo de un punto a otro punto dentro o fuera de
la hoya hidrográfica.
9
Componente de Bombeo
La componente de bombeo puede ser utilizada para simular la acción de plantas de
bombeo utilizadas para elevar la escorrentía desde áreas de pondajes bajas.
9
Transformación de Hidrogramas
La opción de transformación de hidrogramas da capacidad para alterar los hidrogramas
de creciente basados en el criterio definido por el usuario.
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Página 1-23
E.
Caudales Máximos Instantáneos de Escorrentía Superficial
Mediante la aplicación del modelo de computador HEC-HMS, y con las características de
la lluvia total espacial, de la curva CN, del área de drenaje y del tiempo de desfase para la
hoya hidrográfica (calculado con base en el tiempo de concentración por medio de la
fórmula del SCS), se calcularon los caudales máximos instantáneos anuales de las
crecientes producidas por las cuencas hidrográficas mayores para periodos de retorno
entre 2 y 100 años, y los valores se presentan en el Cuadro 8.
1.11. JUSTIFICACIÓN DE FÓRMULAS EMPLEADAS
1.11.1. Método de Chow para Análisis de Frecuencias de Variables Hidrológicas
Este método para el cálculo de valores de variables hidrológicas, bien sea precipitación
máxima anual en 24 horas, caudales máximos y mínimos instantáneos anuales, o
caudales medios anuales, provenientes de una muestra estadística finita, se explica con
detalle en el informe. El método, con base en las características estadísticas de la
muestra, define la recta de mejor ajuste de los datos históricos para extrapolación,
considerando las distribuciones probabilísticas Gumbel y Pearson Tipo III, en el caso de
las variables hidrológicas precipitación máxima anual en 24 horas, y caudales máximos y
mínimos instantáneos anuales. En el caso de caudales y precipitaciones medios anuales,
se utiliza la distribución Normal o de Gauss, y el factor de frecuencia corresponde a la
variable reducida de esa distribución.
1.11.2. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia
La metodología para la deducción de las curvas intensidad - duración - frecuencia, se
explica con todo detalle en la referencia bibliográfica (11) de este informe.
1.11.3. Tiempo de Concentración
El tiempo de concentración a ser utilizado en el método Racional para la determinación de
la intensidad de lluvias promedio sobre la hoya respectiva, se calculó con base en las
fórmulas de Hathaway, California Culverts Practice, Federal Aviation Administration, Soil
Conservation Service, George Rivero y Kirpich, las cuales se presentan con todo detalle
en el informe. Se seleccionó, desde el punto de vista de la seguridad tanto para el método
Racional como para el método del hidrograma de escorrentía superficial del SCS, el
tiempo de concentración proveniente de la fórmula establecida por Kirpich.
1.11.4. Modelo de Computador HEC-HMS
Se utilizó para la estimación de los hidrogramas de creciente en las hoyas hidrográficas
aferentes a la vía cuyos límites topográficos pudieran ser estimados por medio de las
restituciones aerofotogramétricas disponibles. Es, quizás, uno de los modelos de
computador para estimación de hidrogramas de creciente en hoyas hidrográficas por su
gran versatilidad. En el informe se explican con todo detalle las características más
importantes de este modelo.
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1.12. APLICACIÓN DE LAS TEORÍAS Y MÉTODOS DE PREDICCIÓN
Los métodos de predicción de crecientes y de caudales máximos instantáneos en
corrientes de aguas están basados en la disponibilidad de los datos hidrológicos. En el
caso de las corrientes de agua que cruzan la vía objeto de estos estudios, en donde no
existen datos de caudales históricos, pero en donde sí se han podido inferir datos de
intensidades de lluvia promedio, y en donde las áreas de drenaje hasta el sitio del cruce
de las vías no exceden en ningún caso las 250 ha (2.5 km2), se aplicó la comúnmente
utilizada fórmula Racional. En esta fórmula, el caudal pico se supone que se produce con
una intensidad de lluvia promedio correspondiente al tiempo de concentración de la hoya.
Para las hoyas hidrográficas mayores a 2.5 km2 se utilizó la metodología del hidrograma
unitario sintético del Soil Conservation Service del Departamento de Agricultura de los
Estados Unidos de América, a los cuales se les aplicó la lluvia efectiva de diseño.
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Página 2-1
2
2.1
ESTUDIOS HIDRÁULICOS
INTRODUCCIÓN
Al igual que para el estudio hidrológico, este estudio se realizó con información
secundaria recopilada en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC, y en el Instituto
de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM, complementada con
información primaria recolectada por los consultores durante el trabajo de campo.
La información secundaria se obtuvo de los siguientes documentos:
• Restituciones aerofotogramétricas del IGAC para la región en escala
1:100000.
1:25000 y
• Valores medios mensuales de precipitación máxima en 24 h de las estaciones
operadas por el IDEAM representativas de la zona de proyecto, y con un período de
registro de suficiente longitud para poder tener una buena confiabilidad en los datos
climatológicos resultantes.
La información primaria se recopiló en campo, y se refiere a las caracterizaciones
hidrológicas e hidráulicas pertinentes.
Los estudios hidráulicos tuvieron como fin la verificación de las estructuras de drenaje
para un adecuado drenaje de la calzada.
La revisión o definición del diseño hidráulico de las obras menores para drenar
concentraciones de agua en otros puntos alrededor de la vía se llevó a cabo con base en
inspecciones de campo. Finalmente, se verificaron y definieron los diseños de cunetas,
para complementar el adecuado drenaje de la vía. Adicionalmente, se verificaron y
definieron los subdrenes (filtros) con el fin de captar aguas de escorrentía subsuperficial y
subterránea sobre cortes del terreno que pudieran afectar la estructura misma de la
calzada.
En relación con la verificación de los estudios de drenaje superficial y profundo, los
trabajos de campo y oficina se orientaron en tal forma que las soluciones propuestas
efectivamente neutralizaran los posibles problemas planteados. Se definieron los sectores
en los cuales hay necesidad de construir cunetas revestidas. Se hicieron para cada caso,
diseños típicos o se adoptaron modelos existentes para tales obras, y se indicaron sobre
cuadros su localización y la de las alcantarillas para la evacuación de las aguas
recogidas.
Se identificaron y definieron los sectores donde es necesario la instalación de subdrenes
o filtros para interceptar la escorrentía subsuperficial y mejorar la estabilidad de la banca y
de los taludes en corte y terraplén. Para cada sector se diseñaron los subdrenes
recomendados, indicando el inicio, tamaño de los filtros, especificaciones del material
filtrante, posición relativa con respecto a la banca, profundidades mínimas, pendientes y
sitios de entrega para evacuación del agua captada. Durante el transcurso de estos
estudios, se ejecutaron investigaciones topográficas de campo aguas arriba y aguas abajo
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Página 2-2
de los sitios de cruce propuestos. En el diseño de estas obras se indicó su respectiva
localización en los planos de construcción.
2.2
OBRAS MENORES
2.2.1 Criterios de diseño
Se ha definido un diámetro mínimo de alcantarilla igual a 0.90 m, que corresponde al
diámetro mínimo que especifica el Instituto Nacional de Vías, INVÍAS, para este tipo de
obras, con el fin de dar un adecuado mantenimiento y limpieza a estas estructuras.
El criterio de diseño del borde libre para cunetas, fue el de que la lámina de agua como
máximo fuera el 80% de la altura total de la estructura para el caudal máximo instantáneo
con el periodo de retorno seleccionado. Se acepta, sin embargo, que para casos
excepcionales cuando se presenta el caudal de diseño, que la cuneta se pueda llenar.
El criterio de velocidad máxima del agua para el caudal máximo instantáneo con el
periodo de retorno seleccionado en alcantarillas y cunetas se definió con base en valores
de velocidades máximas no erosivas usualmente tomados para el concreto, teniendo en
cuenta en todo caso que con tales velocidades se removieran los sedimentos que puedan
caer a tales estructuras. Las velocidades mínimas pueden ocurrir para caudales máximos
instantáneos con periodos de retorno menores al de diseño, pero siempre existirá una
remoción de sedimentos depositados en las estructuras una vez se produce un aguacero
de importancia.
2.2.2 Obras de Drenaje
2.2.2.1 Alcantarillas Circulares y de Cajón, y Pontones
En el Cuadro 13 se presenta el listado de las obras hidráulicas existentes y las
características de la obra nueva en el caso que sea necesario reemplazar la alcantarilla
existente y en el Plano 2 se presenta el trazado de la vía en planta y perfil con sus
respectivas obras ubicadas. Como ya se mencionó previamente, se ha definido un
diámetro mínimo de alcantarilla igual a 0.90 m, que corresponde al diámetro mínimo que
especifica el Instituto Nacional de Vías, INVÍAS, para este tipo de obras, con el fin de dar
un adecuado mantenimiento y limpieza a estas estructuras.
El criterio de cálculo para el diseño hidráulico para estas estructuras, dada la topografía
pendiente en los sitios de cruce, se basa en que para las diferentes descargas se origina
flujo crítico a la entrada de cada uno de éstas. Por lo tanto, el control de flujo crítico se
establece a la entrada de la alcantarilla, con un perfil de flujo gradualmente variado
tendiendo hacia la profundidad normal hacia aguas abajo.
De esta manera, utilizando las relaciones hidráulicas de acuerdo con la referencia
bibliográfica (14), teóricamente se halla la siguiente ecuación:
H = Yc + α(Vc2/2g) + Ke α(Vc2/2g)
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Página 2-3
En donde:
H:
Profundidad de la lámina de agua antes de entrar a la estructura, en
m.
Yc:
Profundidad crítica del agua para el caudal de diseño Q, en m. El
caudal Q se expresa en m³/s.
Vc:
Velocidad promedio del agua a la profundidad crítica, en m/s.
Ke:
Coeficiente de pérdida de energía a la entrada de la estructura. Se
definió igual a 0.5 para una entrada abrupta.
α:
Coeficiente de Coriolis. Se ha supuesto este coeficiente igual a la
unidad.
g:
Aceleración de la gravedad, igual a 9.81 m/s².
Para la tubería circular de 36" (0.90 m) de diámetro d0, si se tiene una lámina de agua
crítica a la entrada de la alcantarilla igual al 70 % del diámetro de la alcantarilla, es decir
igual a 0.64 m, el caudal de entrada será igual a 1.18 m³/s, produciéndose un valor H de
la profundidad de la lámina de agua antes de entrar a la estructura, H, igual a 1.08 m; lo
anterior indica que la relación entre H/d0 es igual a 1.20 que asegura flujo libre a través de
toda la estructura, desde aguas arriba hacia aguas abajo.
Para las alcantarillas cajón aplica la misma fórmula detallada en la página anterior. Para
propósitos de verificación de las estructuras actuales, se ha mantenido una relación H/h =
1.20, en donde h es la altura de la estructura, que asegura flujo libre a través de toda la
estructura, desde aguas arriba hacia aguas abajo.
En el Cuadro 14 se presenta la capacidad de caudal de las estructuras hidráulicas de
desagüe de las hoyas hidrográficas identificadas en restituciones aerofotogramétricas y
las acciones a tomar.
La verificación hidráulica de estas estructuras se realizó con caudales con un periodo de
retorno de 20 años para hoyas menores, cuya área de drenaje era inferior a 2.5 km², y de
50 años para hoyas hidrográficas mayores. De esta manera, se ha logrado verificar y
definir de una manera satisfactoria las características geométricas de las estructuras de
drenaje de la calzada.
En el Cuadro 15 se presenta las características principales de las obras de drenaje
proyectadas, y en el Cuadro 16 se presentan las características de las cajas de encole y
unión a instalar. Mientras que en el Plano 3 se presentan los detalles de este tipo de
obras.
2.2.2.2 Cunetas
En cortes de la vía, el drenaje aferente será manejado por medio de cunetas. Estas
cunetas recogerán el agua de los taludes cortados del terreno aferentes a las vías y la
propia escorrentía superficial de las calzadas, y desaguarán a las corrientes de agua o a
cajas de inicio de las alcantarillas. La verificación de su cálculo se ha basado en la
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fórmula Racional, con intensidades de lluvia correspondiente a un tiempo de
concentración de 15 minutos y un período de retorno de 10 años, y coeficientes de
escorrentía adecuados según fueran superficies de terreno o vías pavimentadas.
Desde el punto de vista práctico constructivo y teniendo en cuenta la topografía del
terreno en donde existen cortes en las laderas para el desarrollo de la vía se ha definido
un tipo de sección de cuneta revestida en concreto, la cual está en capacidad de
transportar adecuadamente los caudales máximos aferentes.
El tipo de cuneta, tendrá una altura de 0.15 m, un ancho total en su boca de 1.00 m, y una
pendiente transversal igual a 0.15 m/m. El cálculo de la hidráulica del flujo se halló por
medio de la fórmula de Manning para flujo uniforme, teniendo en cuenta las
características de la sección definida, la pendiente longitudinal de la cuneta y un
coeficiente de rugosidad de Manning para el revestimiento en concreto de 0.014. A
continuación se presenta la capacidad de las cunetas a flujo lleno sin borde libre:
PENDIENTE
(%)
CAUDAL
(m³/s)
0.25
0.50
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
0.043
0.061
0.086
0.122
0.149
0.172
0.193
Aplicando la fórmula Racional, para un tiempo de concentración igual a 15 min y un
periodo de retorno igual a 5 años, correspondiente a una intensidad de precipitación igual
a 126.5 mm/h, un área aferente igual a 1950 m², distribuidos en 975 m² para el área del
pavimento (una longitud promedio igual a 150 m, un ancho de 6.5 m y un coeficiente de
escorrentía C = 0.90), y de 975 m² para el área aferente a la vía (una longitud promedio
de 150 m, un ancho de 6.5 m y un coeficiente de escorrentía C = 0.50), el caudal de
diseño es igual a 0.048 m³/s, el valor de pendiente necesario para que la cuneta cumpla
con este caudal es de algo más del 0.31 %.
Es de anotar que esta intensidad de diseño es válida para el tramo K0+000 hasta la
abscisa K11+800 aproximadamente, donde finaliza el área de influencia de la estación
San Juan de Arama. Para el tramo K11+800 hasta el K38+000 la estación definida como
representativa, es la estación Mesetas, por lo que la intensidad de lluvia a tener en cuenta
para el diseño de las cunetas en dicho tramo debería ser de 122.2 mm/h para un tiempo
de concentración de 15 min y un período de retorno de 5 años. Sin embargo, como puede
observarse la intensidad de diseño para este segundo tramo resulta menor que para el
primer tramo, por lo que para efectos de seguridad, las cunetas del tramo K00+000 –
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K38+000 se han diseñado teniendo en cuenta la intensidad de lluvia de la estación San
Juan de Arama correspondiente a 126.5 mm/h.
En el Cuadro 17 se presentan los sitios donde se necesita implementar cunetas y filtros
para el costado derecho e izquierdo respectivamente. Los detalles de las cunetas se
presentan en el Plano 3.
2.2.2.3 Pendiente Transversal de la Vía
La vía deberá tener una pendiente transversal adecuada con el fin de que la escorrentía
producida por ella sea rápidamente evacuada hacia los costados exteriores, la pendiente
transversal de la vía será como mínimo 2.0 %.
2.3
OBRAS MAYORES
2.3.1 Introducción
En este capítulo se presentan los análisis, mediante modelación hidráulica, de los niveles
máximos instantáneos anuales de las corrientes de agua en el área de proyecto para los
periodos de retorno de 50 y 100 años de los caudales máximos instantáneos anuales
presentados en el capítulo anterior, así como las demás características hidráulicas de las
corrientes, tales como ancho de la superficie libre, profundidad de la lámina de agua, radio
hidráulico, velocidad promedio del agua, número de Froude, etc., teniendo además en
cuenta los levantamientos topográficos y batimétricos efectuados durante los estudios y
que se presentan en los Planos 4 a 11.
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2.3.2 Modelación Hidráulica
Para llevar a cabo los estudios hidráulicos, se tomaron en primer lugar, los valores de
caudales máximos instantáneos teóricos calculados producidos por el área de drenaje
hasta el sitio de proyecto de cada uno de los puentes.
La hidráulica de la corriente se basó en el modelo computacional
acuerdo con la referencia bibliográfica (14).
HEC – RAS, de
Este modelo simula la hidráulica del flujo para canales de cualquier tipo de sección
transversal bajo flujo gradualmente variado, trabajando de acuerdo con la ecuación de
Bernoulli:
Z1 + Y1 + (V12/2g) = Z2 + Y2 + (V22/2g) + h
En donde:
Z:
Nivel del fondo del canal aguas arriba (1) y abajo (2) del tramo,
denominado este término cabeza de posición, en m.
Y:
Lámina de agua aguas arriba (1) y abajo (2) del tramo, denominado
este término cabeza de presión, en m.
V2/2g:
Cabeza de velocidad aguas arriba (1) y abajo del tramo (2),
denominado este término cabeza de velocidad, en m.
h:
Pérdidas de energía en el tramo, dividiéndose en pérdidas por
fricción y localizadas, en m.
Las pérdidas por fricción en el tramo hf para flujo gradualmente variado en un tramo de
longitud L del canal se pueden expresar por medio de la ecuación de Manning:
hf = ((Se1 + Se2)/2) L
En donde Se1 y Se2 corresponden a los valores de la pendiente de la línea de energía
aguas arriba (1) y abajo (2) del tramo. Estos valores se expresan por medio de la fórmula
de Manning para flujo uniforme en cada sección del tramo:
Se = (n2V2/R4/3)
En donde:
n:
Coeficiente de rugosidad de Manning.
V:
Velocidad promedio del agua, en m/s.
R:
Radio hidráulico, en m, igual al área hidráulica A, en m2, dividida
entre el perímetro mojado P, en m.
Se ha definido, de acuerdo con la referencia bibliográfica (15), un coeficiente de rugosidad
de Manning para los cálculos hidráulicos llevados a cabo igual a 0.050.
Por otro lado, las pérdidas localizadas hl en un punto del canal se expresan mediante la
ecuación:
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hl = K ABS ((V12 /2g)- (V22/2g))
En donde:
K:
Coeficiente de pérdidas localizadas, adimensional.
V:
Velocidad promedio aguas arriba (1) y aguas abajo (2) del punto o
tramo en donde se produce la pérdida localizada, en m/s.
ABS:
Representa el valor absoluto del término.
Los coeficientes de pérdidas localizadas por contracción y expansión se definieron igual a
0.30 y 0.50 para cada puente, y 0.1 y 0.3 para las secciones transversales, de acuerdo
con las referencias bibliográficas (14) y (15).
Se tomaron en cuenta para ello las secciones transversales de las corrientes, levantadas
en campo y la implantación de los puentes nuevos que se indican en el Plano 12.
En los Cuadros 18 a 25 y Figura 6 a 13, se presentan los resultados de la modelación
hidráulica para el área de proyecto, para los periodos de retorno de 2, 5, 10, 20, 50 y 100
años.
Los resultados de la modelación incluyen los siguientes aspectos para cada sección
transversal considerada:
• Abscisa de la sección transversal.
• Caudal total.
• Cota de fondo mínima de la sección transversal.
• Nivel de la lámina de agua.
• Lámina de agua máxima en la sección transversal.
• Nivel de la profundidad crítica.
• Nivel de la línea de energía.
• Pendiente de la línea d energía.
• Velocidad promedio del agua.
• Área hidráulica.
• Ancho de la superficie libre de agua de la sección transversal.
• Número de Froude.
Para el periodo de retorno seleccionado de análisis, de 100 años, se han calculado los
niveles de agua inmediatamente aguas arriba de los puentes, los cuales se presentan en
el Cuadro 26.
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2.4
SUBDRENAJE
2.4.1 Introducción
En los sitios de cortes de terreno, y debajo de las cunetas respectivas ya mencionadas, se
deberán construir subdrenes con el fin de abatir posibles niveles freáticos altos del terreno
durante las épocas de mayores lluvias. En efecto, para el diseño hidráulico de los
subdrenes recomendados se tuvo en cuenta la información básica de suelos, topográfica,
hidrológica e hidráulica.
Se han estudiado dos alternativas de filtro, de acuerdo con la referencia bibliográfica (16).
La primera consiste en el filtro tipo francés mientras la segunda es el filtro con geodrén.
Estas alternativas se presentan con el fin de que se tenga la opción de construir
cualquiera de los dos. Es de anotar que para estos diseños hidráulicos, como en el caso
del diseño de las cunetas, la estación medidora de lluvia tomada como representativa de
todo el tramo K00+000 – K38+000, es la estación San Juan de Arama.
2.4.2 Filtro Francés
A continuación se presenta el diseño del filtro francés, en el cual se tiene en cuenta el
caudal de infiltración y el caudal por abatimiento del nivel freático. De acuerdo con las
observaciones de campo se estima que este nivel freático puede subir hasta una cota de 0.50 m por debajo del nivel de la subrasante.
El caudal total aferente al filtro es igual a:
Qf = Qnf + Qinf
En donde:
Qf:
Caudal aferente al filtro, cm³/s.
Qnf:
Caudal por abatimiento del nivel freático, cm³/s.
Qinf:
Caudal por infiltración, cm³/s.
2.4.2.1 Caudal por Abatimiento del Nivel Freático
El caudal por abatimiento del nivel freático es igual a:
Qnf = K i Aa
En donde:
K:
Coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente, cm/s. Se
selecciona un valor igual a 0.001 cm/s, correspondiente a un
material limo - arcilloso. Podría ser posible que el suelo que drena el
filtro sea más impermeable, pero por seguridad (mayor valor de K)
se toma este valor.
i:
Gradiente hidráulico, m/m.
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Aa:
Área efectiva aferente al filtro para el caso de abatimiento del nivel
freático, cm²
i = (Nd – Nf)/B
En donde:
Nd:
Cota inferior del filtro necesaria para que el nivel freático no
sobrepase la subrasante, m. Se define un valor igual a 1.00 m,
congruente con la altura del filtro.
Nf:
Cota superior del nivel freático. El nivel freático en algunos sectores
puede encontrarse muy superficial. Tomar 0.50 m por debajo del
nivel actual del terreno.
B:
Ancho de la semibanca de la vía, m. Se toma un valor igual a 4.00 m
(400 cm)
De esta manera:
i = (1.0 – 0.5)/4.00 = 0.125 m/m
Además:
Aa = (Nd – Nf) L
En donde:
L:
Longitud máxima de recorrido del filtro entre cajas de desfogue, cm. Se selecciona
un valor igual a 150 m (15000 cm), correspondiente a la longitud promedio entre
alcantarillas y obras de drenaje que tiene la vía. Se escoge este valor como el más
crítico de las dos separaciones adoptadas.
Aa = (100 - 50) cm * 15000 cm = 750000 cm²
Finalmente:
Qnf = 0.001 cm/s x 0.125 m/m x 750000 cm2 = 93.75 cm3/s
2.4.2.2 Caudal por Infiltración
El caudal por infiltración es igual a:
Qinf = IR B L Fi FR
En donde:
IR:
Precipitación máxima horaria de frecuencia anual registrada en la
zona de proyecto. Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120
min, y se escoge la curva de 2 años. Para el tramo K00+000 a
K38+800, por seguridad se toma IR = 45.2 mm/h, con un tiempo de
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concentración igual a 60 min y un periodo de retorno de 2 años.
Este valor es igual a 0.0013 cm/s.
B:
Ancho de la semibanca de la vía, m. Es igual al ancho de la vía
dividido por 2.0. Para el ancho de la vía de 8.00 m, B resulta igual a
4.00 m (400 cm).
L:
Longitud del tramo de drenaje, cm. Se selecciona un valor igual a
150 m (15000 cm), correspondiente a la longitud promedio entre
alcantarillas y obras de drenaje que tiene la vía.
Fi:
Factor de infiltración, dependiente del tipo de carpeta de la vía. Igual
a 0.5 para carpetas asfálticas pobremente conservadas.
FR:
Factor de retención de la capa granular. Refleja el hecho de que la
capa granular, dada su permeabilidad, entrega lentamente el agua
al filtro. Igual a 1/3 para bases de gradación abierta, en servicio 5
años o más.
De esta manera, se tiene:
Qinf = 0.0013*400*15000*0.5*(1/3) = 1256 cm3/s
2.4.2.3 Caudal Total Aferente al Filtro
El caudal total aferente al filtro resulta igual a:
Qf = Qnf + Qinf
Entonces:
Qf = 93.75 + 1256 = 1349 cm3/s = 1.35 l/s
2.4.2.4 Dimensiones de la Sección Transversal
Teniendo el caudal total aferente al filtro Qf, se realiza el siguiente procedimiento,
teniendo en cuenta la siguiente ecuación:
Qf = V i A
En donde:
Qf:
Caudal total aferente al filtro, cm³/s.
V:
Velocidad de flujo dentro del filtro, la cual depende de la pendiente
longitudinal y del tamaño del agregado usado en el filtro, cm/s. De
acuerdo con la Figura No. 3 del Capítulo No. 2 de la referencia
bibliográfica (16). Se tiene material de grava para el filtro. Entrando
con una pendiente del 1 %, y tamaño de agregado promedio de ¾”
se obtiene una velocidad de 0.32 cm/s.
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De esta manera, A es igual a:
A = Qf / V i
A = 1349 cm3/s / 0.32 cm/s = 4216 cm2 = 0.43 m2
Además:
A = H B'
Y:
B' = A/H
En donde:
H:
Altura del filtro, m.
B':
Ancho del filtro, m.
Entonces:
B' = 0.43/1.0 = 0.430 m
Resultando en un filtro muy esbelto, por lo tanto se propone un filtro de (1.00 m x 0.60 m),
por lo cual fácil de construir.
Entonces la sección transversal del filtro será de 100 cm x 60 cm (1.00 m x 0.60 m),
medido por debajo de la subbase de la vía. Esta sección es eficiente para abatir este
caudal generado por subida del nivel freático y por caudal de infiltración.
El material de relleno del filtro será piedra de río lavada de tamaño entre 5 y 10 cm. Por
otro lado, el material del geotextil que conforma el filtro será geotextil NT 2500 Pavco o
similar. La longitud de desarrollo del geotextil en su sección transversal corresponde al
perímetro más el traslapo, que será de 0.25 a 0.35 m. En la entrega a las cajas de las
alcantarillas, dentro del filtro se colocará una tubería perforada PAVCO o similar de
diámetro 100 mm, longitud 5 m, que para una pendiente del 0.1 % es capaz de transportar
un caudal igual a 1100 cm³/s, mientras que para una pendiente del 1 % conduce un
caudal igual a 4400 cm³/s.
2.4.3 Geodrén con Tubo
A continuación se presenta el diseño de un geodrén con tubo, cuyos parámetros básicos
en el cual se tiene en cuenta el caudal por infiltración y el caudal por abatimiento del nivel
freático el cual ya se calculo para el caso de filtro Francés.
2.4.3.1 Determinación del Diámetro de la tubería
De acuerdo con la Figura 5 de la referencia bibliográfica (16), si se escoge un tubo de 4” y
pendiente del 1 %, éste tiene una capacidad de descargar 4400 cm³/s, mucho más que el
caudal afluente total al geodrén.
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Página 2-12
Para el sistema de drenaje, se recomienda un geodrén planar de altura 1.50 m con
geotextil NT 2500 PAVCO o similar, con tubo de 4” de diámetro (100 mm), por ambos
lados de la vía en donde haya corte, y a lo largo de toda su longitud. Este geodrén deberá
ir en una zanja de 1.0 m de alto por 0.60 m de ancho, rellena con material de filtro, se
puede utilizar un material como recebo, subbase, base, arena de río, arena gruesa o el
mismo material de excavación siempre y cuando se garantice una buena permeabilidad
mayor a 1X10-3 cm/s, un índice de plasticidad del material IP<7% y un porcentaje de finos
<20%
2.4.3.2 Número de Geo – Redes necesarias que debe contener el Geodrén con Tubo.
Qml = 1350 (cm³/s)/150 m = 9.00 (cm³/s)/m
Qm² = 1350 (cm³/s)/ (150 m x 1.00) = 9.00(cm³/s)/m²
Θ REQUERIDO = 9.00 (cm³/s)/m²
Θ DISPONIBLE = Θ FABRICANTE / (FSIN * FS CR * FS CC * FS BC)
Θ DISPONIBLE = 3330 (cm³/s)/m² / (1.5 * 1.4 * 1.5 * 1.5)
Θ DISPONIBLE = 705 (cm³/s)/m²
Factor de Seguridad = Θ DISPONIBLE/ Θ REQUERIDO
Factor de Seguridad = 705/9.00 = 78.3
El geodrén puede estar compuesto por una sola red, lo cual sería suficiente.
Con base en lo anterior, los geotextiles tipo PAVCO que se pueden utilizar son: NT 2500,
NT 3000, NT 4000, NT 5000, NT 6000 y NT 7000. En el Cuadro 17 se presenta la
ubicación de los filtros.
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Página 3-1
3
3.1
ESTUDIOS DE SOCAVACIÓN
INTRODUCCIÓN
La socavación total en una corriente de agua se divide en la socavación generalizada que
sufre el fondo del cauce ante eventos de crecientes máximas extraordinarias, y la
socavación localizada al pie de estructuras, como pilas o estribos de un puente, o sobre
obras de defensa de la corriente misma, como espolones, muros de protección, etc.
3.2
SOCAVACIÓN GENERALIZADA
Para evaluar la socavación general se dispone del método propuesto por Lischtvan –
Lebediev, de acuerdo con las referencias bibliográficas (17) y (18), el cual se basa en la
obtención de la condición de equilibrio entre la velocidad media del flujo y la velocidad
media máxima necesaria para no erosionar el material del fondo.
Para suelos homogéneos, conocido el material del fondo en la sección o tramo en estudio,
y aceptando que las rugosidades son constantes en todo el ancho de la sección, la
profundidad de la socavación se obtiene a partir de las siguientes expresiones:
•
Para suelos granulares no cohesivos:
0.03
D84
⎛ αd05 / 3 ⎞ 0.322+ D840.03
⎟
d s = ⎜⎜
0.28 ⎟
4
.
70
β
D
84 ⎠
⎝
Válida sí 0.00005 m ≤ D84 ≤ 0.0028m.
0.092
D84
⎛ αd
d s = ⎜⎜
⎝ 4 .7 β D
⎞ 0.223+ D840.092
⎟
⎟
⎠
5/3
0
0.28
84
Válida si 0.0028 m ≤ D84 ≤ 0.182 m.
⎛ αd
d s = ⎜⎜
⎝ 4 .7 β D
5/3
0
0.28
84
⎞
⎟⎟
⎠
0.187
D84
0.187
0.191+ D84
Válida sí 0.182 m ≤ D84 ≤ 1.0 m.
•
Para suelos cohesivos:
⎛ 5780αd
d s = ⎜⎜
⎝ βγ
5/3
0
1.18
d
⎞
⎟⎟
⎠
γ d0.725
66.28 + γ d0.725
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Página 3-2
Estas ecuaciones deben aplicarse para varias líneas verticales de la sección del cruce. La
profundidad en cada una de ellas es una función de la profundidad inicial d0. Al unir todas
las profundidades ds se tiene el perfil de la sección teórica erosionada.
En las ecuaciones anteriores β es un coeficiente que toma en cuenta el periodo de
retorno, T, del gasto de diseño en años. Para obtener su valor se propone la expresión:
β = 0.8416 + 0.03342 LnT
La cual es válida para periodos de retorno comprendidos entre 15 y 1500 años. β no tiene
unidades.
D84 significa el diámetro de la muestra de sedimento en que el 84 por ciento en peso es
menor que ese tamaño, en m. Adicionalmente, γd es el peso específico seco, conocido en
hidráulica fluvial como peso volumétrico seco, y es igual al peso seco de la muestra entre
su volumen inicial, en kgf/m3.
Por otro lado,
α=
Qd
5
μBe d m3
En donde:
d0:
profundidad inicial, en una línea vertical dada, entre el nivel del agua
cuando se presenta el caudal de diseño, y el nivel del fondo inicial
(levantando normalmente en el estiaje anterior), en m.
ds:
profundidad hasta el fondo ya socavado, en m. Se mide desde la
elevación de la superficie del agua al presentarse el caudal de
diseño, sobre la misma vertical de d0, en m.
Qd:
caudal de diseño o caudal máximo de la creciente para la cual se
desea calcular la erosión, en m3/s.
dm:
lámina de agua media o profundidad media, medida entre la
superficie del agua al pasar el gasto Qd y el perfil del fondo original,
en m. Se obtiene dividiendo el área hidráulica A entre el ancho
efectivo Be.
dm =
A
Be
Be:
ancho efectivo de la superficie libre del cauce, en m. Se calcula a
partir del ancho real del cauce, al que se le reduce el ancho de
todos los obstáculos.
μ:
coeficiente que toma en cuenta las contracciones laterales del flujo
que se produce en las caras de los obstáculos que están dentro de
la corriente, como por ejemplo las pilas de un puente. Es función de
la velocidad media del flujo y del claro entre pilas. Se evalúa a partir
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Página 3-3
de la expresión propuesta por Maza, teniendo en cuenta los datos
proporcionados por Lischtvan – Lebediev, y no tiene unidades.
μ = 1−
0.387U
L
Cuando no hay obstáculos, μ = 1
En la ecuación anterior, U es la velocidad media del agua en la
sección, en m/s, dada por la relación:
U=
Qd
A
y L el claro entre dos pilas u obstáculos, en m. Puesto que la
ecuación no es dimensionalmente correcta, deben respetarse las
unidades indicadas.
A:
3.3
área hidráulica de la sección, en m.
EROSIÓN LOCAL AL PIE DE OBRAS RODEADAS POR LA CORRIENTE
Como ejemplo más frecuente, esta erosión es la que ocurre al pie de las pilas de los
puentes, por lo cual en lo que sigue se hará mención a estas obras, y por lo mismo se le
conoce usualmente con el nombre de “erosión al pie de pilas”.
Aunque esta erosión ha sido estudiada con detalle por autores como Tison, Romitta,
Laursen – Toch, De Souza – Pinto, Maggiolo, Jaraquiri, Maza – Sánchez, Neill, Breusers,
Shen y Melville, entre otros, aquí sólo se presenta el método de Maza – Sánchez.
Los autores mencionados proponen tres diagramas que se muestran en figuras
correspondientes de las referencias bibliográficas (17) y (18), con los que se puede
determinar la erosión local como una función de la relación entre el ancho de la pila a la
profundidad del agua y el número de Froude de la corriente. Este método es útil
únicamente para fondos formados con arena y grava. Los diagramas fueron obtenidos
para pilas con sección rectangular, cilíndrica y rectangular con extremos redondeados y
sirven tanto para las pilas alineadas con el flujo como esviajadas. Cuando la pila está
esviajada el número de Froude debe corregirse por un factor fc si su valor es mayor que
0.25. El valor del coeficiente fc se indica en las figuras de las referencias bibliográficas
mencionadas, y es función del ángulo φ, que forma la dirección del flujo con el eje de la
pila. En las figuras de la referencia el significado de los parámetros es el siguiente:
d0:
profundidad de la lámina de agua de la corriente enfrente de la pila, en m, en una
zona no afectada por la erosión local, pero obtenida después de calcular la
socavación general, transversal y en curvas. En otras palabras, las erosiones
locales se calculan a partir de las condiciones de la corriente, una vez que se han
producido las erosiones que afectan el fondo del cauce en forma general.
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Página 3-4
b1:
proyección de la pila en un plano perpendicular a la corriente, en m. Cuando el
flujo y el eje longitudinal de la pila están alineados, b1, es igual al ancho de la pila.
φ:
ángulo entre la dirección del flujo y el eje longitudinal de la pila.
F:
número de Froude del escurrimiento.
F = Up /(gdsm)1/2
Up:
velocidad media del flujo, después que el fondo ha sido erosionado, por todas las
erosiones que puedan afectar la sección, pero no por la local de las pilas, m/s. Se
obtiene en la sección del cruce que ya erosionada, sin considerar las pilas.
Up = Qd /Ap
En donde:
Ap:
área hidráulica total de la sección, en m2.
dsm:
profundidad media en la sección donde se obtuvo Up, en m.
S:
erosión local medida desde el fondo no afectado por esta erosión, en m.
ST:
erosión local medida desde la superficie libre del agua, en m.
Fc :
coeficiente por el que hay que afectar al número de Froude, F, cuando φ ≠ 0 y F >
0.25
La erosión local que se obtiene con ayuda de las figuras señaladas es la máxima que
puede presentarse.
3.4
EROSIÓN LOCAL AL PIE DE OBRAS UNIDAS A LA MARGEN
Esta erosión ocurre en el extremo, que está dentro de la corriente, de estructuras unidas a
la margen, entre las que se pueden citar los espolones y estribos de los puentes.
Este tipo de erosión ha sido estudiada también por varios autores, entre quienes pueden
citarse a Laursen, Shen, Veiga Da Cunha, y ha sido más difícil de determinar y estudiar,
por la cantidad de parámetros que es necesario tener en cuenta, y porque ellos varían
notablemente de una estructura a otra. Tal es el caso del ancho total del estribo con
respecto al primer claro del puente, el ángulo de ataque de la corriente, el caudal teórico
interceptado por el estribo, sus taludes, y la forma e inclinación de las esquinas cuando la
cara del estribo es vertical. Téngase en mente que además influyen la velocidad y la
lámina de agua de la corriente, y las propiedades del material del fondo. Para evaluar esta
erosión, los autores proponen las relaciones que a continuación se indican, y que fueron
obtenidas con base en datos de Artamonof y Veiga Da Cunha principalmente, y siguiendo
lo establecido por Artamonof:
de = Kα Kk Kq da
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Página 3-5
En donde:
de:
profundidad de la corriente en el extremo de la estructura, medida entre la
superficie del agua y el fondo erosionado, en m.
da:
profundidad del flujo aguas arriba del estribo o de la estructura en una zona no
afectada por la erosión del estribo, pero que tiene en cuenta la erosión general,
transversal, en curvas o cualquier otra que afecte el fondo en forma independiente
de la local aquí tratada, en m.
Kα:
coeficiente que depende del ángulo α; su valor se obtiene de la relación:
Kα = 0.782 e0.0028α
α:
ángulo medido aguas abajo del puente, y formado entre la prolongación de ese eje
y la dirección del flujo, en grados.
Kk:
coeficiente que depende del talud, k, del extremo del estribo; se obtiene con ayuda
de la expresión:
Kk = 1.028 e-0.24k
k:
distancia horizontal, en m, recorrida al subir verticalmente 1 m. También se
expresa como k = cot θ, en que θ es el ángulo que forma el talud con la horizontal.
Kq:
Coeficiente que depende de la relación Q1 entre Q, donde Q1 es el caudal teórico
que podría pasar a través del área ocupada por el estribo, si éste no existiera, y Q
es el caudal total del río. Su valor se obtiene de:
Kq = 4.429 + 1.063 Ln (Q1/Q)
De esta manera, se obtiene la siguiente ecuación cuando se sustituyen los valores de Kα,
Kk y Kq en la expresión para de:
de = 0.855 da (4.17 + Ln (Q1/Q)) e(0.028α - 0.24 k)
Esta ecuación permite obtener la erosión en el extremo y al pie del talud de un estribo o
espolón teniendo en cuenta el ángulo del talud, el ángulo que el eje longitudinal de la obra
tiene con respecto al flujo, y la interferencia que dicha obra ocasiona al flujo.
3.5
INFORMACIÓN EXISTENTE Y CÁLCULO DE SOCAVACIONES
En el Anexo 3 al final del texto de este informe se presentan los resultados de los ensayos
granulométricos de una muestra de material tomada del fondo del cauce de las corrientes
de agua en el área de proyecto. En el Cuadro 27 se presentan los diámetros
representativos D84.
Las demás características hidráulicas se definieron de acuerdo con los cálculos previos
presentados en este informe, para las secciones batimétricas representativas
inmediatamente aguas arriba de los puentes propuestos.
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En el Cuadro 28 se presenta el cálculo de la socavación máxima generalizada en los
sitios de los puentes, así como las cotas respectivas hasta donde llegaría el fondo del
cauce al paso de la creciente con periodo de retorno de 100 años, seleccionada para
estos cálculos. Debe tenerse en cuenta que ésta es la máxima socavación que se calcula
siempre y cuando no existan controles geológicos por debajo del fondo del cauce que
impidan estos procesos. Se tomo como socavación mínima adoptada una socavación de
1.50 metros, para tener una mayor seguridad. En el Cuadro 29 se presentan los
resultados de los cálculos de la socavación en los estribos de los puentes proyectados.
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4
4.1
ANEXOS, MEMORIAS DE CÁLCULO Y PLANOS
ANEXOS
Se presenta al final de este informe el Anexo 1 correspondiente a la información
hidroclimatológica suministrada por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales, IDEAM. En el Anexo 2 se encuentra el levantamiento de las Obras de
Drenaje llevados a cabo por la Consultoría. En el Anexo 3 se encuentran los resultados de
las granulometrías realizadas a las muestras de fondo de cada uno de los cruces
importantes.
4.2
MEMORIAS DE CÁLCULO Y PLANOS
Se presenta al final de este informe las memorias de cálculo. Por otro lado, los planos
relacionados con la hidrografía de la zona se presentan en la parte correspondiente a
Planos del informe. En los Planos 13 a 15 se incluyeron los Principales Cuadros de
Resultados de los Estudios Hidráulicos.
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Página 5-1
5
BIBLIOGRAFÍA
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Instituto Geográfico Agustín Codazzi, Subdirección Agrológica, Ministerio de
Hacienda y Crédito Público, República de Colombia, “Mapa Ecológico según la
Clasificación de L. R. Holdridge para las Formaciones Vegetales o Zonas de Vida
del Mundo”, Bogotá, 1977.
2.
Instituto Geográfico Agustín Codazzi, Dirección Agrológica, Ministerio de Hacienda
y Crédito Público, República de Colombia, “Carta de Clasificación de Tierras”,
Bogotá, 1977.
3.
Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC, Subdirección Agrícola, Ministerio de
Agricultura, República de Colombia, Corporación Colombia de Investigación
Agropecuaria, Subdirección de Investigación en Sistemas de Producción, “Mapa
de Zonificación Agroecológica”, 2002.
4.
Instituto Nacional de Investigaciones Geológico-Mineras, Ministerio de Minas y
Energía, República de Colombia, “Mapa Geológico de Colombia”, Bogotá D.E.,
1988.
5.
Vargas M. R., Díaz - Granados D. M, "Curvas Sintéticas Regionalizadas de
Intensidad - Duración - Frecuencia para Colombia", sin fecha.
6.
Monsalve G., "Hidrología en la Ingeniería", Editorial Escuela Colombiana de
Ingeniería, Santafé de Bogotá D.C., julio de 1995.
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S.A., Barcelona, España, 1974.
8.
Ponce Victor M. "Engineering Hydrology, Principles and Practices", Prentice Hall,
Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 1989.
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Hjelmfelt, Jr. A., Cassidy, J. J., "Hydrology for Engineers and Planners", lowa State
University Press, Ames, lowa, 1976.
10.
Chow, Ven Te., "Handbook of Applied Hydrology", McGraw Hill Book Company,
1984.
11.
Chow V.T., Maidment D.R., Mays L.W.,"Applied Hydrology", McGraw-Hill
International Editions, Civil Engineering Series, New York, U.S.A., 1988.
12.
Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá D.C., "Normas de Diseño,
Construcción y Materiales de Alcantarillado", Bogotá D.C., 1985.
13.
U. S. Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, Generalized
Computer Program, “HEC-HMS, Hydrologic Modelling Center”, September 2008,
Version: 3.3, Copyright 2008 Haestad Methods, Inc.
14.
U. S. Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, Generalized
Computer Program, Haestad Methods, “HEC – RAS for Windows River Analysis
System”, Hydraulic Reference Manual, 95 NT 98.
15.
Chow Ven Te, “Open Channel Hydraulics”, McGraw-Hill Kogakusha Ltd., 1959.
16.
PAVCO, Departamento de Ingeniería, “Manual de Diseño de Geotextiles”, Sexta
Edición, Bogotá D.C., Septiembre de 2003.
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Página 5-2
17.
Maza Álvarez José A., García Flores Manuel, “Manual de Ingeniería de Ríos”,
Capítulo 12, Estabilidad de Cauces, Secretaría de Agricultura y Recursos
Hidráulicos, Proyecto 8310, México, septiembre 1989.
18.
Maza Álvarez José A., “Socavación en Cauces Naturales”, Instituto de Ingeniería,
Universidad Nacional Autónoma de México, junio de 1968.
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CUADROS
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
ARTERIALES COMPLEMENTARIOS DE COMPETITIVIDAD
CONSORCIO
SEIN
ESTUDIOS DE HIDROLOGÍA, HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN
Plano 2. Planta Perfil estructuras de Drenaje. (Son 48)
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
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Plano 3. Detalles, Cortes y Secciones Transversales Típicas de las Obras de
Drenaje. (Son 5)
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
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Plano 4. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Las
Acacias. Planta y Secciones Transversales.
Plano 5.
Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Honda.
Planta y
Secciones Transversales.
Plano 6. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño Curía. Planta y
Secciones Transversales.
Plano 7. Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño Tacuya. Planta
y Secciones Transversales.
Plano 8.
Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño San José.
Planta y Secciones Transversales.
Plano 9.
Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Caño La Lajosa.
Planta y Secciones Transversales.
Plano 10.
Levantamiento Topográfico y Batimétrico de la Quebrada Santa
Bárbara. Planta y Secciones Transversales.
Plano 11.
Levantamiento Topográfico y Batimétrico del Río Guejar. Planta
y Secciones Transversales.
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
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Plano 12. Implantación de Puentes Proyectados. (Son 8)
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
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Plano 13. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
Plano 14. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
Plano 15. Cuadros Resumen de Diseño Hidráulico.
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
(HUILA); EN DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CORREDORES
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ANEXO 1. INFORMACIÓN HIDROCLIMATOLÓGICA SUMINISTRADA POR EL
INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES,
IDEAM
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ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTIÓN SOCIAL, PREDIAL Y AMBIENTAL,
PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
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ANEXO 2. LEVANTAMIENTO OBRAS DE DRENAJE SAN JUAN DE ARAMA –
LA URIBE
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PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS VÍAS, “TRANSVERSAL DE LA
MACARENA”, TRAMO SAN JUAN DE ARAMA (META) – BARAYA
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ANEXO 3. CARACTERÍSTICAS GRANULOMÉTRICAS MATERIALES DEL
FONDO DEL CAUCE DE LAS CORRIENTES
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