Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHICAY; DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA – PASCO 1. GENERALIDADES Al demarcar la cuenca alta del río Chincay, a partir de las coordenadas donde se ubica el proyecto de la construcción Puente Carrozable Chincay, observamos que el área de influencia de drenaje es Mediano por lo que para su cálculo de sus caudales máximos con diferentes períodos de retorno, se ha tenido que utilizar métodos y que mediante comparaciones se ha optado por los resultados que mejor han dado sobre el proyecto especificado. Para ello se ha tenido en cuenta que para todo estudio que se relaciona con el recurso hídrico es importante efectuar el análisis hidrológico con la finalidad de evaluar el comportamiento del caudal que recorre en todo el área a través de un dren principal que es el río Chincay, ya sea en sus máximas y mínimas descargas y que mediante los parámetros meteorológicos y geomorfológicos sean calculados el dimensionamiento en las obras hidráulicas del Proyecto, dónde el caudal de aguas de lluvia en excesos provocados por el drenaje pluvial será prevenido antes del ingreso a la del proyecto de la construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay mediante estructuras de prevención. Los datos de precipitación son obtenidos de las estaciones cercanas a las coordenadas del Proyecto con la finalidad de evaluar cuantitativamente el caudal que escurre en el punto indicado teniendo en cuenta el área de la cuenca Alta del río Chincay, con la metodología y datos de precipitación de las estaciones de Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba), para luego contar con éstas láminas de agua y ser transformadas en volúmenes de agua, y en escorrentías superficiales durante los doce meses del año, considerando las disponibilidad de agua en la cuenca Alta para su utilización del estudio hidrológico en la construcción del Construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay en sus máximas avenidas con diferentes períodos de retorno que es necesario conocer para su dimensionamiento de la estructura de Construcción del Puente Carrozable proyectado. Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Ubicación del Proyecto La Construcción del Puente Carrozable sobre el río Chincay Proyectado se localiza sobre, en la Jurisdicción del distrito de Huancabamba, Provincia de Oxapampa departamento de Pasco, Región Pasco. 1.2. Objetivos del estudio El objetivo del presente Estudio Hidrológico tiene como fin la construcción del Puente Carrozable sobre el río Chincay. Determinar las características hidrológicas de respuesta lluvia-escorrentía, con intensidades máximas a diferentes períodos de retorno. - Estimar el cálculo del caudal Máximo con diferentes períodos de retorno en el Tramo donde se ubica la estructura de la construcción del Puente Carrozable sobre el río Chincay. - Determinar la profundidad de Socavación donde se ubicará los estribos del Construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay en ambas márgenes con datos del especialista de Geotecnia. 2.0 ETAPAS QUE COMPRENDE EL ESTUDIO Con el fin de concretar los criterios adecuados para conocer las características hidrológicas del sector, se realizó el estudio en las siguientes etapas y con los medios que se contaban: Las características principales de una cuenca son: forma, área, perímetro, pendiente, relieve, altitud, red de drenaje, orientación, a lo que es necesario asociar las características de la cuenca alta del río Chincay, como son su área, perímetro y su pendiente. Cuando se trata de evaluar la cantidad de agua caída sobre una cuenca se tiene que ver la influencia de la disposición de los pluviómetros. En nuestro caso no existe una estación Pluviométrica en el área del estudio. Donde un pluviómetro da información precisa de un solo punto, que es aquel en donde esta instalado, y por consiguiente extender la información de un solo pluviómetro a toda una micro cuenca y/o cuencas que abarca un área de 423.46 kilómetros cuadrados con Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” terrenos de altitudes variables, como los tipos de vegetación de altura, temperaturas muy bajas en ciertos meses del año, etc., se hizo una extrapolación muy usada. Sin embargo en nuestro país no se cuenta con una red de pluviómetros, y en los casos que existen estos ofrecen diversas forma de control y están muy dispersos, además debido a los problemas sociales acaecidos en años anteriores en algunos casos se han desactivado y en otros tienen información incompleta, con datos históricos de pocos años que no establece la consistencia adecuado de los datos, por tal motivo se han tomado estaciones cercanas con características geomorfológicos similares. En la zona del proyecto no ha existido una estación de control pluviométrico, por lo que fueron tomados los datos de la estación Pluviométrica como Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba), por encontrarse dentro y cercanas al área de la cuenca alta del río Chincay con datos de promedios mensuales, máximas de 24 horas y máximas diarias caso de la estación de Oxapampa (Huancabamba) del año (2001 al 2007) en forma incompleta. ETAPA DE PRECAMPO Comprendió la recopilación y ordenamiento de la información disponible referida a planos, perfiles y estudios del proyecto, hidrogramas de precipitaciones pluviales, y otras informaciones metereológicas, etc. En esta etapa se procedió a la delimitación de la Cuenca, sub cuencas que lo conforman el río Chincay y a la elaboración del plano base que fueron delimitadas a escala 1/25,000.Cartografía. Los materiales utilizados han sido obtenidos del Instituto Geográfico Nacional (IGN) y son los siguientes: Carta Nacional del Instituto Geográfico Nacional (IGN), a escala 1/100,000. Planos topográficos a escala 1/25,000 Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI). Guía Explicativa del Mapa Ecológico del Perú, ex ONERN – 1976. TRABAJOS DE CAMPO: Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Consiste en un recorrido del camino para su evaluación y observación de las características, relieve y aspectos hidrológicos de las quebradas así como la identificación del río existente como su comportamiento del volumen en las diferentes épocas del año de la cuenca alta del río Chincay con: Reconocimiento de la zona (Tramo del río) - Recopilación de información metereológica complementaria. - Reconocimiento de fuentes de agua - Reconocimiento del clima del Área de Influencia. - Informaciones verbales de parte de las comunidades beneficiarias zona (sub. Cuencas Utilizadas en el estudio) FASE DE GABINETE: - Demarcación de la Cuenca Alta del río Chincay, a partir del punto del proyecto Construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay , para el cálculo de su área y luego tomar en cuenta su escurrimiento de las aguas proveniente de las precipitaciones pluviales de las partes altas, con la finalidad de conocer los parámetros fisiográficos, para su desarrollo del estudio hidrológico. - Procesamiento, análisis, determinación de los parámetros hidrológicos, para su diseño y cálculo del caudal superficial en el punto del Proyecto indicado. - Determinación de las intensidades de lluvia dentro del área de estudio, luego los caudales máximos con la finalidad de tener en cuenta su diseño en las estructuras de la construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay que se plantearía. - Determinación y generación de precipitaciones máximas, y efectivas mediante métodos empíricos más apropiados para la zona. - Determinación y Generación de las Descargas máximas, para diferentes períodos de retorno en la cuenca del río Chincay que componen las quebradas de la cuenca, con cargas máximas en época de invierno. Las informaciones que se han utilizado son: a. Pluviométrica Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” La escorrentía existente producida en el área de estudio donde proviene exclusivamente de las precipitaciones pluviales caídas en la zona, especialmente de las partes altas de la cuenca alta del río Chincay, son tomadas en relación a las características fisiográficas, datos climatológicos y otras variables influyentes dentro de la similitud de precipitación como son: Las estaciones pluviométricas, localizadas en la zona de estudio o cercanas a ellas, Para poder tener una mayor consistencia en los datos tomados son la que se anotan a continuacion. Estación Pluviométrica b. Ubicación Provincia Distrito Altitud Oxapampa - 000557 Latitud Sur 10 35’34” Longitud Oeste 75 23’23” Oxapampa Oxapampa 1,850 Oxapampa – 4725D79C 10 35’1” 75 38’ 1” Oxapampa Huancabamba 3,491 m.s.n.m. Hidrometría Las áreas del punto de escurrimiento de la cuenca alta del río Chincay para el estudio indicado se encuentran a la altitud de 1774 msnm. Aguas que escurren en todo el área de drenaje para luego formar un solo dren que es el río Chincay cuyos datos, proveniente de las micro cuencas que conforma el río Chincay, para ello se ha generado las precipitaciones totales y efectivas en el punto del área de influencia del proyecto con el objetivo de obtener el escurrimiento producido en dicho dren del Chincay. c. COMPLEMENTACIÓN DE REGISTROS Las estaciones anteriormente mencionadas, cuentan con distintos periodos de registro y/o actualmente se encuentran paralizadas. En algunos casos fue necesario completar períodos faltantes para lo cual se recurrió a análisis de regresión a nivel anual. Luego los valores mensuales fueron determinados mediante una repartición porcentual tomando como base el promedio mensual y el valor anual determinado. De esta manera se cuenta hasta con 36 años de registro continuo para el periodo 1966-2001, de la Estación más cercana Oxapampa (Huancabamba), que permite caracterizar el comportamiento de la micro cuenca haciendo posible la generación Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” de caudales en la sub. Cuenca del río Chincay en la parte alta, así mismo se trabajó con todas las estaciones que componen cada uno de las subcuencas del río Chincay desde la parte más alta (nacimiento del río) hasta el tramo del estudio, del Proyecto del Construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay. d. ANÁLISIS GRÁFICO Este primer análisis se realizó en base a los datos de precipitación registrados en las estaciones anteriormente indicadas. Se confeccionaron histogramas de precipitación total mensual para un periodo común de análisis (1966-2001), con el fin de comparar el comportamiento del parámetro. Los histogramas se muestran en los gráficos Nº 1 y Nº 2 del anexo Recurso Hídrico, correspondientes a las estaciones, Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba). Se realizó un análisis visual por estación para detectar saltos y valores extremos pronunciados que no podrían ser de ocurrencia en un periodo determinado y luego verificado su estado de consistencia se determinó los valores para cada uno de las sub cuencas ó áreas donde se producen los escurrimientos superficiales que llegan al cauce principal del río Chincay. En esta evaluación se observó buena correspondencia entre los histogramas en algunos casos los datos se cambiaron por la poca consistencia, donde se supone podría ser por mala lectura, desconocimiento de datos del parte del lector, anotación al azar y otros motivos que pudieran existir. 3.0.-CLIMA DEL AREA DE INFLUENCIA Este aspecto se ha analizado de acuerdo al mapa ecológico Nacional (ONER-1976),y según la clasificación climática de Leslie R.Holdrigde, el área de influencia de donde provenía las avenidas en los ríos Chincay se ubica en la región altitudinal Tropical, lo que se clasifica en forma general dentro de las tres sub cuencas demarcadas para su estudio de las máximas avenidas en sus respectivos puntos de controles, presentándose las siguientes formaciones ecológicas, en lo que se consiguieron datos en el mapa expuesto faltando algunos qué es necesario para su calculo de su coeficiente de escurrimiento dentro del área considerado y su recorrido del río en máximas avenidas Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” donde se interpone con todo los obstáculos considerando para el cálculo del caudal su coeficiente de rugosidad considerado en 0.068. Húmedo y cálido con temperaturas medias de 23ºC a 24ºC y precipitaciones que oscilan entre 2000 y 3000mm de los ríos Pichis, Palcazú y afluentes. Húmedo y semi cálido, con temperaturas promedio de 18ºC a 20ºC y precipitaciones de 150 a 250mm. Los diferentes microclimas se presentan en las mesetas de la Cordillera de Yanachaga, San Carlos y San Matías. El Distrito de Palcazú tiene una temperatura de 25ºC, con precipitaciones de 3000 – 3500, con un clima húmedo. El distrito de Villa Rica tiene una temperatura de 17ºC con precipitaciones de 1800, con un clima Super-húmedo. El clima del sector de llanuras presenta dos subtipos climáticos, diferenciados principalmente por la cantidad de precipitaciones a lo largo del año. Así tenemos que hacia el sur del subconjunto de selva baja clima presenta es el de sabana, el cual es periódicamente humeo, a excepción de los meses de invierno. Por otra parte, el sector de selva baja ubicado más hacia el norte presenta un clima propio de selva tropical, caracterizado por ser permanentemente húmedo. En ambos tipos climáticos la temperatura media de todos los meses es superior a 18ºC y la cantidad de precipitación anual superior a 750 milimetros. 4.-PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS DE LA SUB CUENCA ALTA DEL RIO CHINCAY, HIDRODINÁMICA DEL RÍO. La Sub cuenca Alta del río Chincay, como unidad dinámica y natural refleja las acciones recíprocas entre el suelo, factores geológicos, agua y vegetación, proporcionando un resultado de efecto común: escurrimiento o corriente de agua, por medio del cual los efectos netos de estas acciones recíprocas sobre este resultado pueden ser apreciadas y valoradas. De allí que una de las premisas básicas del manejo de cuencas considera que la cantidad y velocidad de la corriente de agua representan las características naturales de cultivo de la cuenca que las origina. Numerosos son los estudios que tratan de establecer relaciones entre el comportamiento del régimen hidrológico de una cuenca y las características físico- Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” geográficas de la misma. Casi todos los elementos de un régimen fluvial están relacionados directa o indirectamente con las características físicas de las áreas de drenaje de una cuenca siendo las más sensibles a las variaciones fisiográficas aquellas relativas a las crecientes. Estos factores físicos – llamados también geomorfológicos son considerados generalmente en forma aislada sin tener en cuenta la posible interdependencia entre ellos y se representan en forma numérica. La descripción sistemática de la geometría de una cuenca y de su red hidrográfica requiere mediciones de aspecto lineales de la red de drenaje, del área de la cuenca y del relieve, teniendo una mayor incidencia la distribución de pendientes en el primero de los aspectos mencionados. Las dos primeras categorías de medición son planimétricas, es decir, tratan de propiedades proyectadas sobre un plano horizontal. La tercera categoría, trata de desigualdad vertical de la forma de la cuenca. 4.1.-Objetivo y Alcance del aspecto Geomorfológico en La Hidrología El propósito del presente estudio técnico, es el de presentar una descripción breve de las características geomorfológicos más importantes del complejo físico de una cuenca y de su determinación matemática, a fin de que puedan ser usadas en conjunción con ciertos índices hidrológicos, llámese estos caudal medio, caudal máximo absoluto et. De esta manera se puede contar con un elemento de juicio adicional en el estudio de la geometría y los aspectos mecánicos de una cuenca. 4.2.-Parámetros Geomorfológicos de una cuenca Diversos son los parámetros geomorfológicos que se pueden determinar en una cuenca, sin embargo, los más estudiados son las siguientes: Superficie.- Dentro de esta característica de la cuenca se tiene los siguientes conceptos. Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” - Área total de la cuenca (A) Se considera así a todo el área de terreno cuyas precipitaciones son evacuadas por un sistema común de causes de agua, estando comprendida desde el punto donde se inicia esta evacuación hasta su desembocadura u otro punto elegido por interés. Puede considerarse en su delimitación el divisor topográfico por ser prácticamente fijo. - Perímetro (P).- Esta característica tiene influencia en el tiempo de concentración de una cuenca, es el mismo que será menor cuando esta se asemeje a una forma alargada. Se expresa en Km. - Cálculo de los parámetros de forma: a) Coeficiente de compacidad.- A partir de la relación: Kc 0.28 P A Se obtiene: Kc H 0.28x 109.568 516.596 1.349 b) Factor de Forma.- Teniendo en consideración que: Ff A L2 Se tiene que: Ff RM 516.596 24.56 2 0.85 Pese a que los parámetros de forma cuenca alta del río Chincay, puede afirmarse que los valores obtenidos, nos indican que ésta tendrá mayores oportunidades de creciente en las partes bajas, en razón de la mejor distribución de sus áreas tanto en el largo como en el ancho. Sin Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” embargo, la cuenca es de forma alargada e irregular, donde tiene pocas oportunidades de crecientes y/o inundaciones debido a que su Kc es 1.349, mayor a la unidad. - Cálculo de los parámetros relativos al sistema de Drenaje: considerando la Conformación de Cauces Históricamente. a) Grado de Ramificación: Del planos No 1 y mediante el uso de la computadora se han obtenido los siguientes valores: b) Densidad de drenaje: sabiendo que: Dd Li A Se tiene que: Dd RM 102.945 0.199Km/ Km2 516.596 c) Extensión media de escurrimiento superficial: De la relación: Es EsRM A 4Li 516.596 1.254Km 4102.945 d) Frecuencia de Ríos: De la relación: F N totaldecursosdeagua Areatotaldelacuenca F RM 230 0.4452Rios / Km2 516.596 Los valores obtenidos en el cálculo de los parámetros relativos al sistema de drenaje indicarán: - Que el grado de ramificación alcanzado por la cuenca alta del río Chincay, es de Cuarto orden. Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” - La densidad de drenaje de la Cuenca es relativo, lo cual indica que los tiempos de concentración serían más o menos largos. Esto puede corroborarse con los valores obtenidos para la “extensión media de escurrimiento superficial” los que indican cuantitativamente, pero sin embargo la sub cuenca alta estudiada posee una diferencia entre las micro cuencas de cada uno de los que lo componen obtenidos en promedio para la sub Cuenca Alta del río Chincay. - Cálculo de los parámetros relativos a las variaciones altitudinales de la cuenca: Altitud media de la cuenca: Del Plano No 1 se obtienen los siguientes valores: - Polígono de frecuencia de altitudes: Del plano No 1 se obtienen los siguientes valores: ESQUEMA DE RAMIFICACION DE UN CURSO PRINCIPAL - Altitud media de la Cuenca (A): Este parámetro se obtiene mediante la siguiente relación: H (hi Si ) A Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Siendo: hi = Altitud media de cada área parcial comprendida entre las curvas de nivel. Es tomada con respecto a la desembocadura. Si = Área parcial entre curvas de nivel. A = Área total de la cuenca. - Polígono de frecuencia de Altitudes: Es un diagrama de relación entre las superficies parciales de una cuenca expresadas en porcentaje y las alturas relativas a dichas áreas comprendidas entre las curvas a nivel. - Curva Hipsométrica: Representa las superficies dominadas por encima o por debajo de cada altitud considerada y por lo tanto caracteriza en cierto modo el relieve. CURVAS HIPSOMETRICAS DE LA CUENCA DEL RIO CHINCAY Del plano, por planimetría, se ha obtenido los valores que aparecen en los gráficos DISTRIBUCION ALTIMTETRICA DEL AREA DE LA CUENCA DE RECEPCION DEL RIO CHINCAY Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” m.s.n.m. 4000 2000 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 Porcentaje de área p o d ebajo p o r en cima El valor de la altitud media de la cuenca Alta del río Chincay resulta encontrarse a una cota de 3000 msnm, debido a que la distribución de sus áreas parciales con mayor valor corresponde igualmente a las menores altitudes tomadas con respecto al nivel del mar. Esto puede ser apreciado gráficamente a través de los “polígono de frecuencia de altitudes”, como en las correspondientes curvas hipsométricas (Graf. No 1, 2, ). Es de anotar que la altitud mediana (llamada también altitud de frecuencia media) difiere del valor hallado de la “altitud media”, en razón de que es un concepto de tipo geométrico resultando del cálculo de un promedio ponderado. 5. PRECIPITACION Se cuenta con valores de precipitación total mensual, registradas en la estación de Oxapampa (Oxapampa) para un periodo de registro de 22 años, Oxapampa (Huancabamba) con un período de registro de 20 años, registros de la estación de Oxapampa (Oxapampa) para un período de 07 años con precipitación promedio mensual y 07 años con precipitación máxima diaria mensual. Los registros de la precipitación mensual se muestran en el cuadro Nº 1, a partir de la cuál se tabularon y se calcularon los parámetros requeridos para su disponibilidad de agua escurrida en la cuenca alta del río Chincay, y un resumen de sus valores Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” característicos que se presentan a continuación, en donde se puede observar que el valor medio anual es de 88.75 mm.para la estación de Oxapampa. Variación de la lluvia en la estación de Oxapampa Máx. Prom. Mín. D. Est. Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Set. Oct. Nov. Dic. Prom. 289.44 913.00 367.33 186.73 122.83 88.46 48.82 45.00 93.00 167.00 110.00 224.00 149.27 150.06 210.34 204.88 90.86 51.20 26.25 18.34 16.24 45.39 56.72 81.97 112.77 88.75 56.00 86.00 76.00 21.00 4.00 1.00 5.00 6.00 7.00 2.00 18.00 29.00 56.89 25,75 37,22 37,27 31,19 27,20 11,15 4,15 4,00 11,00 27,10 26,23 34,60 81,48 Sin embargo es necesario determinar y generar datos de precipitación en la cuenca alta del río Chincay, teniendo presente la altitud en que se encuentran la estación de Oxapampa (Huancabamba) y el punto donde se va a generar, utilizando la metodología empírica apropiada mas ajustable en la región donde los resultado se muestra en el cuadro No 2, contando éstos datos se tabularon la precipitación efectiva mensual en la zona cuyo resultado se muestra en el cuadro No 3, dichos resultados mostrados en los cuadros sirvieron para los cálculos de la escorrentía promedio mensual, cuyas descargas se muestran en el cuadro No 4, de la cuál podemos analizar lo siguiente: que en los meses de enero a marzo se tiene un mayor caudal. 5.1.0 EVALUACION DE LA CUENCA ALTA DEL RIO CHINCAY. Los cursos de agua que escurren en la zona de estudio corresponden a sub cuencas y micro cuencas que conforma la cuenca alta del río Chincay desde el área del Proyecto de la construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay aguas arriba. 5.2. CALCULO HIDRAÚLICAS. DE CAUDAL DE DISEÑO PARA LAS OBRAS Precipitaciones Máximas en 24 Horas Con los datos de precipitaciones máximas diarias mensuales de la estación Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba), para diferentes periodos; los cuales fueron ajustados a la distribución teórica Pearson, Log Pearson Tipo III y Gumbel, comúnmente usadas en estudios hidrológicos. La distribución que presentó mejor ajuste a los datos históricos fue Log Pearson Tipo III, por presentar menor error, cuyo ajuste de las precipitaciones máximas mensuales de Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” la estación Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba) se encuentra en el cuadro y las precipitaciones máximas para diferentes períodos de retorno tabuladas se encuentra en el cuadro, que siendo necesario realizar el ajuste de las precipitaciones totales mensuales, con la finalidad de calcular las intensidades máximas para diferentes períodos de retorno ”tanto para las máximas de 24 horas y los datos de promedios mensuales en la estación escogida que se presenta. En el cuadro tenemos los parámetros calculados con diferentes periodos de retorno y la precipitación máxima diaria mensual mediante el método de Log Pearson Tipo III, método más apropiado por tener mejor ajuste para la región donde se realiza el estudio. 5.3.- PRECIPITACIÓN GENERADO EN EL PUNTO DEL PROYECTO DE LA CONSTRUCCION CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE SOBRE EL RÍO CHINCAY. Las áreas de la cuenca del río Chincay que abarca desde el naciente de los cerros de cotas de 3500 msnm. Específicamente de donde escurre sus aguas, que no cuentan con registros de caudales, ni registros de precipitación y esto permita determinar directamente la escorrentía de las sub cuencas y micro cuencas de drenaje, con la generación de precipitaciones. Esta situación conduce a estimar parámetro en base a las precipitaciones que cae en cuencas vecinas, más cercanas ó similares. Por este motivo los registros de precipitación son analizados para probar su bondad y consistencia, el caso de la sub. Cuenca de Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba), donde se cuenta con datos de precipitaciones promedio mensuales, máximas y máximas diarias el caso de la estación dos de mayo, fueron tomados para su determinación de las precipitaciones generadas en la cuenca del Chincay, y las quebradas que lo componen. Luego fueron determinados mediante una repartición porcentual tomando como base el promedio mensual y el valor anual determinado de esta manera se cuenta hasta con 36 años de registro continuo para el periodo 1966-2000, de la Estación más cercana Oxapampa (Huancabamba), que permite caracterizar el comportamiento de la micro cuenca haciendo posible la generación de caudales. Tomando como base a la relación existente entre la altitud y la precipitación media anual, se determinaron los valores de precipitación anual que permitieron estimar la Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” precipitación media en la micro cuenca. De acuerdo a la altitud media calculada para la sub cuencas. Para ello demostramos primero el cuadro No 13 donde muestra las intensidades máximas caídas en el punto del área del proyecto en mm/hora. 5.4.-INTENSIDAD DE LLUVIAS Para la determinación de estos parámetros es necesario contar con registros de precipitación máxima en el punto del proyecto donde se construirá el Puente Carrozable sobre el río Chincay, pero por no contar se escogió la estación Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba) por ser la mas cercanas y tener las mismas características geomorfológicos. La intensidad máxima horaria ha sido estimada a partir de la precipitación máxima en 24 horas y la precipitación máxima diaria mensual para el mismo periodo de retorno, registrada en la estación de Oxapampa (Huancabamba). La intensidad en forma general puede ser representada por la siguiente relación: i Donde: i - intensidad en mm/hora d - duración de la lluvia kyn - k d n parámetros que dependen de la zona. Para el presente caso se van a estimar los parámetros k y n para periodos de retorno de 2, 10, 25, 50, 100 años. 5.5.-COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA. El coeficiente de escurrimiento es un parámetro que representa la porción de precipitación anual que escurre en las áreas del micro cuenca con respecto a la vegetación y suelo completamente húmedo nombradas para determinar el caudal de alimentación durante los meses del año y así contar con una de las variables muy importantes para el caudal de diseño. Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Las zonas de vida y provincias de humedad presentes en la cuenca alta del río Chincay, en forma general con mayor pesos de su área en predominan se da en el cuadro. Cuadro N° 14 CALCULO DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTIA AREA CONST. PUENTE CARROZABLE SOBRE EL RÍO CHINCAY PROVINCIA ZONA DE DE HUMEDAD VIDA Semiárido Sub Humedo Perhumedo PESO ee-MBT bs-PT bmh-MBS 0.46 0.40 0.14 1.00 COEFICIENTE COEFICIENTE PROMEDIO PONDERADO 0.86 0.79 0.42 0.690 0.40 0.32 0.06 0.77 0.85 0.52 Factor de corrección regional Coeficiente de escorrentía corregido Fuente: Zonas de vida de Holdridge, publicaciones de la Ex ONERN De acuerdo al método de zonas de vida de Holdridge, publicado por la ex ONERN, en el Inventario y Evaluación Nacional de Aguas Superficiales, les corresponde a estas provincias de humedad tiene un valor de promedio ponderado de 0.85y luego con un coeficiente corregido de 0.52 respectivamente. CLIMA: El clima del área de influencia donde se ubica el proyecta de la construcción del puente sobre el río Chincay, presenta un clima Húmedo y semi cálido, según datos tomados en forma puntual teniendo una temperatura máxima de 28°C en el mes de Junio a setiembre, un mínimo de 15°C, cuyo un promedio durante esos meses de 24 °C durante los restos de los meses posee un rango dentro de los mencionados. No se cuenta con estaciones meteorológicas en el área para la lectura de temperaturas. 5.6-ESTIMACION DE LA DESCARGA MEDIA El escurrimiento superficial de las Sub cuencas se originó por las precipitaciones pluviales que ocurre durante el año. Para determinar las descargas disponibles en el punto de interés ó punto de control, se ha empleado el modelo matemático de transformación de lluvias en escorrentía sustentado en el balance hídrico y en un proceso markoviano. 17 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” La expresión generalizada que permite la generación de descarga es: Qt B1 B2 * Qt 1 B3 * PEt S * 1 R 2 Z t Donde: Qt - Caudal en el mes t Qt 1 - Caudal en el mes anterior PEt - Precipitación efectiva en el mes t Zt - Variable aleatoria de distribución normal (0,1) R - Coeficiente de correlación. S - Desviación estándar. B1 , B2 , B3 - Coeficientes El paso más importante consiste en calibrar los valores de los coeficientes B1, B2, B3, S y R, los mismos que se obtienen a partir de una regresión múltiple donde la variable dependiente es el caudal medio escurrido en el mes presente Qt y las variables independientes son: el caudal medio escurrido en el mes anterior Qt-1 y la precipitación media efectiva del mes presente PEt . Los valores para la variable aleatoria se pueden tomar de una tabla o como en el presente caso generarlos con el auxilio de la computadora, la única condición que deben cumplir es que se ajusten a la distribución normal, con media igual a cero y desviación estándar igual a uno N (0,1). Cuando no se cuenta con información de descargas en las subcuencas y tan solo se tiene rendimientos referenciales, como en el presente caso, se puede calibrar el modelo aprovechando algunas similitudes con otras subcuencas. Como la cuenca alta del río Chincay, no cuenta con registros de precipitación, se tomaron los registros de la estación Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba) por ser las más apropiadas. Los valores de precipitación de esta estación son corregidos tomando en cuenta el factor de altitud, que para el caso es 1.22. 18 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” El coeficiente de escurrimiento es un parámetro que representa la porción de precipitación anual que escurre en una Micro cuenca dada. En el presente caso se ha tomado el valor de 0.52 tal como se muestra en el cuadro Nº 14. La alimentación de la retención ocurre con mayor incidencia entre octubre y marzo. Tomando en cuenta la distribución de la lluvia registrada durante el año en la región, la alimentación sería constante en los meses de enero a marzo sin embargo no se puede considerar que los valores porcentuales de retención permanezcan constantes sino, que estos se van saturando, por consiguiente se adopta la distribución siguiente: Meses Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo ai, % 10 10 20 30 20 10 Donde: ai - distribución porcentual de los meses de mayor incidencia de lluvias. Con estas referencias se procede a determinar los principales componentes del balance hídrico a nivel mensual. Los componentes del modelo son: Cmi Pi Di Gi Ai Donde: Cmi - Escurrimiento mensual (mm./mes) Pi - Precipitación total mensual (mm./mes) Gi - Gasto de la retención (mm./mes) Ai - Abastecimiento de la retención (mm./mes) Di - Déficit de escurrimiento (mm./mes). Durante el año hidrológico la retención no cambia, el agua almacenada en el periodo húmedo es liberada en el estiaje, por lo tanto Ai = Gi y la expresión (Pi–Di) puede ser sustituida por (C*P). Los cálculos han sido realizados con la ayuda de un programa que permite obtener los resultados en forma automatizada mediante una computadora, sin embargo a manera de ejemplo, se muestra el cálculo para el año promedio. 19 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Donde: P - Precipitación anual promedio C - Coeficiente de escorrentía. Se trata de distribuir esta lámina mes a mes tomando en cuenta los componentes del balance hídrico mensual, el proceso va resumido en el cuadro Nº 15 para la cuenca alta del río Chincay durante los meses del año, método que no se vaya confundir con la generación de caudales promedios calculado estadísticamente como se muestra en los cuadros Para tener conocimiento el potencial hídrico solamente considerado de la cuenca alta del río C h i n c a y durante los meses del año caudales promedios mensuales que se cuenta con sólo como se da ha conocer en el cuadro No 15. Que esto es calculado teniendo en cuenta las características hídricas en zona del área de la cuenca alta del Chincay. Retención de los almacenes hídricos b) Para efectos de calcular la retención de las subcuencas que es justamente la que abastece en el periodo de estiaje, se ha utilizado la siguiente expresión: RET Acuif * (7.5 * I 315) 5 * (Lag Nev) Ac Donde: CALCULO DE LOS ALMACENES HIDRICOS RET = Acuif*(-7.5*I + 315) + 5*(Lag. + Nev.)/Area de la Cuenca Acuif = AcuÍferos = 0.2 KM2 Lag = Lagunas = 0.1 KM2 Nev. = Nevados = 0.0 KM2 Area de la Cuenca = 516.6 KM2 I = Pendiente del Acuif. = 98.5 % -0.16 mm/año RET = c) Coeficiente de agotamiento 20 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” La retención de la cuenca alta del río Chincay, es almacenada en los depósitos hídricos en el periodo de lluvia según la distribución mensual adoptada anteriormente. Para que pueda existir el balance hídrico al fin del año hidrológico, ésta retención debe abastecer de agua a las subcuencas en la época de estiaje; su distribución estacional se realiza siguiendo la curva exponencial que es representada por el coeficiente de agotamiento. El modelo utilizado plantea cuatro formulas empíricas para estimar este coeficiente, para una temperatura mayor a 10º C le corresponde un agotamiento muy rápido, esto es: COEFICIENTE DE AGOTAMIENTO Cag = -0.00252*Ln(Area de la Cuenca) + 0.034 Cagot. = 0.01 Cag 0.00252* Ln( Ac) 0.034 0.02 Este coeficiente está vinculado con otro que es la relación que existe entre la descarga del mes y la del mes anterior con la siguiente expresión. bo e( Cag *30) Durante la estación seca, la lámina escurrida disminuye mes a mes hasta agotarse, en la relación: C1 i b0 C0 Donde: CALCULO DE Bi Bi = e^(-Cagx30) = 0.696 0.484 0.337 0.234 0.163 0.113 0.079 i - Meses de estiaje (1, 2, 3, 4, 5, 6,). d) Aporte y abastecimiento de la retención 21 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Una vez establecidos estos parámetros y calculados sus valores, se procede a calcular la lámina escurrida para cada mes. En el periodo de estiaje existirá aporte de la retención, este se calcula para cada mes con la siguiente expresión: Gi RET * b0 b0 i En la época de lluvias se presenta el abastecimiento de los almacenes que se calcula con la ecuación: Ai a i * RET 100 CALCULO DEL GASTO = Gi = RET*Bi^n/SumaBi n= 1,2,3,4,5,6 Gi = 0.003 0.002 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 e) Lámina escurrida mensualmente Finalmente la lámina escurrida mensualmente se calcula con la siguiente relación: Cmi Pei Gi Ai Donde: Cmi - Lámina escurrida mensualmente. Pei - Precipitación efectiva mensual. Ai - Alimentación mensual. Gi - Gasto mensual. Por ejemplo para el mes de Enero, reemplazando valores se obtiene: CALCULO DE LA ALIMENTACION Ai = ai*RET/100 CALCULO DE LA LAMINA ESCURRIDA MENSUALMENTE Cmi = Pei(precipitación efectiva + Gi(gasto) – Ai (alimentación) Por Ejemplo para el Mes de Enero Cmi = 131.90 + 0 - 0 = 131.90 131.90 22 mm/mes Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Los valores se encuentran anexados en el cuadro Nº 15 f) Determinación de coeficientes Una vez calculadas las láminas escurridas mes a mes y contando con las precipitaciones efectivas, se realiza el análisis de regresión tomando como variable dependiente la lámina escurrida en el mes presente y como variables independientes la lámina escurrida en el mes anterior y la precipitación efectiva del mes presente; esta regresión múltiple da como resultado, Coeficientes B1 B2 B3 R S Valores obtenidos 0.5938 0.2501 0.9371 0.9997 0.6064 6.0. GENERACIÓN DE CAUDALES Utilizando las precipitaciones generadas para las cuencas, se ha procedido a la generación de caudales para el periodo de registros con que contaban cada uno de las estaciones ya asumido como valor inicial para comenzar la generación, el caudal correspondiente a los meses del año, los cuadros donde se, muestran los valores de precipitación efectiva, los números aleatorios empleados en la generación y los caudales generados, respectivamente, obteniéndose tiene 4.93 m3/seg el caudal generado teórico, de la cuenca del río Chincay. a). Justificación de utilización del modelo En el Estudio Inventario y Evaluación Nacional de Aguas Superficiales, elaborado por la ex ONERN, se determina el escurrimiento superficial medio anual para todo el País, mediante Zonas de escurrimiento definidas en base a Zonas de Vida. Para la región donde se ubica la presente micro cuenca, se calcula el escurrimiento superficial medio anual utilizando como modelo las siguientes cuencas: Estos resultados como lo explican en el estudio antes mencionado, corresponden a un nivel de planificación y por lo tanto son conservadores. 23 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Con estos resultados se planteo una relación lineal entre el caudal vs. Área, encontrándose la siguiente expresión, ver justificación de utilización del modelo en el anexo del recurso hídrico De acuerdo al modelo utilizado en el presente estudio, se ha calculado para la cuenca con la misma área, un escurrimiento medio anual de 3.95 m3/ seg. Escurrimiento Medio Anual Escorrentia Anual Número de meses Por otro lado en la micro cuenca mencionada no existen datos de caudales que permitan calibrar el modelo empleado, con las demás micro cuencas establecidas en el cuadro No 19, que son muy cercanas a ella. Por lo que tenemos la gráfica del modelo. Gráfico N° 6 RELACION CAUDAL vs AREA 12.0 y =0.0281x + 1.1483 R2 =0.9518 10.0 Persistencia de la descarga 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 A R E A (K m2 ) En el cuadro, se muestran los caudales disponibles al 75% de persistencia. Los caudales disponibles se obtuvieron utilizando la ecuación ver en el anexo adjunto: Q * 75% Q prom 0.6745 * SD Donde: Desviación estándar SD - 0.6745 - Valor de la normal para el nivel de persistencia del 75% 24 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” 6.1.- CAUDALES MÁXIMOS INSTANTANEOS. La descarga máxima para la cuenca alta del río Chincay, se determinó el caudal máximo mediante la fórmula de Mac Math, cuya expresión es la siguiente: Q max C * P * Ac 0.58 * I 0.42 1000 Donde: Q max - Descarga máxima para un tiempo de retorno T, (m3/s) P - Precipitación máxima para un tiempo de retorno T, (mm.) C - Coeficiente de escorrentía. Ac - Área de la Micro cuenca ( ha.) I - Pendiente media del cauce (m/km.) Esta fórmula considera la precipitación como la causa directa de la máxima avenida y toma en cuenta las características físicas de la cuenca que tienen decisiva influencia en la magnitud de las descargas como el área y al pendiente media del cause principal. Asimismo involucra un coeficiente de escorrentía máximo que para el presente caso se obtuvo en función de las características ecológicas. La precipitación máxima para un periodo de retorno T, fue calculada mediante un análisis de frecuencia de las Precipitaciones Máximas en diarias estación Oxapampa (Oxapampa), y promedios mensuales de la estación de y Oxapampa (Huancabamba), para el caso de la cuenca del Chincay, y las quebradas que lo componen dicha área de la cuenca. Los resultados del cuadro fueron calculados mediante el método estadístico con las variables que presentaron las estaciones utilizados cuyo parámetro máximo, promedio y mínimo mensuales, dando resultados aproximados con poca diferencia comparada con el cuadro calculado por método diferente, dando como conclusión que los datos utilizados nos arrojan muestras casi semejantes durante los meses del año cuyo ajuste 25 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” son aceptables para el cálculo de los caudales máximos con diferentes períodos de retorno como se observa en el cuadro. Las descargas máximas calculadas por el Método de Mac Math, se muestran: Sabemos que éste tipo de caudales de diseños es muy importante para estructuras de regulación, estructuras de diseño del Construcción Puente Carrozable sobre el río Chincay, estructuras de derivación, donde es necesario tener en cuenta con la finalidad de atenuar los caudales picos, haciendo decrecer los picos de elevación de la creciente aguas abajo, por lo que el diseño en estructuras tratará de tomar el caudal máxima con un período de retorno apropiado, recomendando de acuerdo a la geomorfología de la cuenca, precipitaciones muy variadas y vegetación normal con provincias de humedad propias de las partes altas, sugiero tomar en cuenta un caudal de 4.93 m3/seg. para un período de retorno de 50 años. 7.- RESULTADO DE CAUDALES MAXIMOS EN EL RIO CHINCAY Desde que nace el río Chincay en los pueblos de la provincia de Oxapampa, desde estas montañas, que recorre por su dren principal el río va cambiando y aumentando su caudal poco a poco según va descendiendo. A veces nos cuesta reconocer desde el pequeño arroyo cristalino, que cuyo naciente cuando presenciamos el ancho del río de aguas profundas que recorre su curso. En los diferentes tipos de terreno donde en la primera parte de su recorrido el río empieza a descender de la montaña alta. Aquí el cauce es hondo y estrecho, la corriente es rápida, las aguas frías y limpias, dé fondo rocoso en un 65 %, la corriente desprende muchas piedras que son arrastrabas aguas abajo. Al ir bajando, el río forma muchas caídas de agua en los desniveles del terreno. Donde esta primera parte del río se llama primera etapa o etapa juvenil. Más abajo, sus aguas van disminuyendo su velocidad donde su cauce se va ensanchando en forma de curvas, en las orillas hay playas con arena gruesa y en el fondo del agua se observan pequeñas piedrecillas y más arena. Esta es la segunda etapa o etapa de madurez, donde estas dos etapas cumple desde su naciente hasta el punto del estudio, donde es necesario este recorrido para poder tabular y calcular los caudales máximos en sus diferentes puntos de controles tomando la 26 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” metodología más apropiado para éstos tipos de estudio dentro de la cuenca alta del Chincay. El agua que se dirige al río sobre la superficie, como flujo de arroyo, puede convertirse en grandes inundaciones cuando ocurren tormentas intensas a lo largo de la cuenca del Río Chincay, donde las mayores de las inundaciones del Río suelen ocurrir durante la temporada de (Enero a Marzo), cuando la humedad de la selva viaja hacia el sur y se convierte en tormentas eléctricas, El río Chincay en estudio tiene un área y una longitud donde se calculó el caudal máximo total para diferentes períodos de retorno mediante el estudio Hidrológico propuesto, como se observa con períodos de 2,5,10,25,50 y 100 años. 8.00.0 SOCAVACIÓN GENERAL DEL CAUCE RIO CHINCAY El estudio de la socavación general como local y por contracción dentro del área del proyecto de la construcción del puente sobre el río Chincay fueron tomados con resultados del estudio hidrológico y los resultados geotécnicos. El estudio de socavación general es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida debido al efecto hidráulico de un estrechamiento de la sección; la degradación del fondo de cauce se detiene cuando se alcanza nuevas condiciones de equilibrio por disminución de la velocidad a causa del aumento de la sección transversal debido al proceso de erosión. Para la determinación de la socavación general se empleará el criterio de LischtvaLevediev. La velocidad erosiva media que se requiere para degradar el fondo está dado por las siguientes expresiones: Ve == 0.60 gd1.18bH.xs m/s, suelos cohesivos Ve == 0.68 bd.0.28H.x s m/s, suelos no cohesivos En donde: Ve Gd = Velocidad media suficiente para degradar el cause en m/s = Peso volumétrico del material seco que se encuentra a una profundidad Hs, medida desde la superficie del agua (Ton/m3) 27 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” b x Hs dm = Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia. Ver tabla Nº 3 = Es un exponente variable que está en función del peso volumétrico gs del material seco (Ton/m3) = Tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer que valor de Ve se requiere para arrastrar y levantar en material (m) = Es el diámetro medio en (mm) de los granos obtenidos del fondo calculado con la expresión dm =0.01 ∑ di pi En el cual: di pi = Diámetro medio, en mm, de una fracción en la curva granulométrica de la muestra total que se analiza. = Peso de esa misma porción, comparada respecto al peso total de la muestra. Las fracciones escogidas no deben ser iguales entre si. Para el cálculo de la profundidad de la socavación en suelos homogéneos se usará las siguientes expresiones. Suelos cohesivos: 1 /( 1 x ) aH o5 / 3 Hs 1.18 0.60bg d Suelos no cohesivos: 1 /( 1 x ) aH o5 / 3 Hs 0.28 0.68bg m a Qd H Bem 5/3 m Donde: Qd = caudal de diseño (m3/s) Be = ancho efectivo de la superficie del agua en la sección transversal m = coeficiente de contracción Ver tabla Nº 1 Hm = profundidad media de la sección = Área / Be x = exponente variable que depende del diámetro del material y se encuentra en la tabla Nº 2 dm = diámetro medio (mm) 28 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Velocidad media en la sección en m/s Menor de 1 TABLA Nº 1 COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN Longitud libre entre dos márgenes 10 13 16 18 21 25 30 42 52 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.96 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.50 0.94 0.96 0.97 0.97 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99 2.00 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.97 0.98 0.98 0.99 2.50 0.90 0.93 0.94 0.95 0.96 0.96 0.97 0.98 0.98 3.00 0.89 0.91 0.93 0.94 0.95 0.96 0.96 0.97 0.98 3.50 0.87 0.90 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 4.00 o mayor 0.85 0.89 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 29 63 106 124 200 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.98 0.99 0.98 0.99 0.98 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 1.00 0.99 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” TABLA Nº 2 VALORES DE X PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS SUELOS COHESIVOS SUELOS NO COHESIVOS P. especifico X dm (mm) X 0.80 0.52 0.05 0.43 0.83 0.51 0.15 0.42 0.86 0.50 0.50 0.41 0.88 0.49 1.00 0.40 0.90 0.48 1.50 0.39 0.93 0.47 2.50 0.38 0.96 0.46 4.00 0.37 0.98 0.45 6.00 0.36 1.00 0.44 8.00 0.35 1.04 0.43 10.00 0.34 1.08 0.42 15.00 0.33 1.12 0.41 20.00 0.32 1.16 0.40 25.00 0.31 1.20 0.39 40.00 0.30 1.24 0.38 60.00 0.29 1.28 0.37 90.00 0.28 1.34 0.36 140.00 0.27 1.40 0.35 190.00 0.26 1.46 0.34 250.00 0.25 1.52 0.33 310.00 0.24 1.58 0.32 370.00 0.23 1.64 0.31 450.00 0.22 1.71 0.30 570.00 0.21 1.80 0.29 750.00 0.20 1.89 0.28 1 000.00 0.19 2.00 0.27 TABLA Nº 3 VALORES DEL COEFICIENTE b Periodo de Retorno del gasto de diseño (años) 2 5 10 20 50 100 500 Coeficiente b 0.82 0.86 0.90 0.94 0.97 1.00 1.05 8.1.-SOCAVACIÓN AL BORDE DEL RIO CHINCAY El método que será expuesto se debe a K, F, Artamonov y permite estimar la profundidad de socavación al pie de la estructura. Esta erosión depende del gasto que teóricamente es interceptado por el margen, relacionando con el gasto total que escurre 30 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” por el río, del talud que tiene los lados de la defensa y del ángulo que el eje longitudinal que la obra forma con la corriente. El tirante incrementado al pie de un estribo medido desde la superficie libre de la corriente, está dado por: St = Pa Pq Pr Ho Donde: = coeficiente que depende del ángulo a que forma el eje de estructura con la corriente, como se indica en la figura siguiente; su valor se puede encontrar en la tabla Nº 4 = coeficiente que de pende de la relación Q1/Q en que Q1 es el gasto que Teóricamente pararía por el lugar ocupado por el estribo si éste no existiera y Q, es el gasto total que escurre por el río. El valor de Pq puede encontrarse en la tabla Nº 5 = coeficiente que depende del talud que tienen los lados del río, su valor puede Obtenerse en la tabla Nº 6 = tirante que se tiene en la zona antes de la erosión Pa Pq Pr Ho TABLA Nº 4 VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pa EN FUNCIÓN DE a a Pa 30º 60º 0.84 0.94 150º 1.19 90º 120º 1.00 1.07 TABLA Nº 5 VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pq EN FUNCIÓN DE Q1/Q Q1/Q Pq 0.10 0.20 0.30 2.00 2.65 3.22 0.40 0.80 3.45 4.20 0.50 0.60 0.70 3.67 3.87 4.06 TABLA Nº 6 VALORES DEL COEFICIENTE CORRECTIVO Pr EN FUNCIÓN DE R TALUD r Pr 0 0.50 1.00 0.91 1.00 3.00 0.85 0.50 31 1.50 2.00 0.83 0.61 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” 8.2. Cálculo de la socavación general en el cauce: PARA PERÍODO DE RETORNO DE 50 AÑOS. DETERMINACION DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION TIPO DE CAUCE 1 (ver cuadro adjunto) CAUCE TIPO SUELO COHESIVO 1 SUELO NO COHESIVO 2 A.- Cálculo de la socavación general en el cauce: Hs = profundidad de socavación (m) Qd = 4.93 m3/seg caudal de diseño Be = 4.43 m ancho efectivo de la superficie de agua Ho = 0.78 m tirante antes de la erosión Vm = 2.14 m/seg velocidad media en la sección m= 0.87 Coeficiente de contracción. Ver tabla N° 1 gd = dm = x = Tr = 2.00 Tn/m3 0.50 mm 0.270 50.00 años b = A = Hm = a = 0.97 2.30 m2 0.520 m 3.801 peso específico del suelo del cauce diámetro medio Exponente variable. Ver tabla Nº 2 Periodo de retorno del gasto de diseño Coeficiente que depende de la frecuencia del caudal de diseño. Ver tabla Nº 3 área de la sección hidráulica profundidad media de la sección Entonces, Hs = 1.66 m ds = profundidad de socavación respecto al fondo del cauce ds = 0.88 m Asumimos 0.90 m ds = 32 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” LA SOCAVACION LOCAL AL PIE DE LOS ESTRIBOS PARA PERÍODOS DE RETORNO DE 50 AÑOS. B.- Cálculo de la socavación al pie de estribos: 1.- Estribo margen izquierda aguas abajo St = tirante incrementado al pie del estribo debido a la socavación en mts. Ho = tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosion Q = caudal de diseño Q1 = caudal que teóricamente pasaría por el lugar ocupado por el estribo de la margen izquierda Q1/Q = Pq = coeficiente que depende de la relación Q1/Q. Ver tabla N° 5 a = ángulo que forma el eje del estribo con la corriente Pa = coeficiente que depende del ángulo a . Ver tabla N° 4 R = talud que tiene el estribo PR = coeficiente que depende del talud que tiene el estribo. Ver tabla N° 6 0.50 4.93 m m3/seg 10.67 m3/seg 2.17 1.42 65.47 ° 1.55 0.18 0.98 Entonces, St = 1.08 m ds = profundidad de socavación respecto al fondo del cauce Asumimos So = 0.58 m So = 0.60 m 2.- Estribo margen derecha aguas abajo St = tirante incrementado al pie del estribo debido a la socavación en mts. Ho = tirante que se tiene en la zona cercana al estribo antes de la erosión Q = caudal de diseño Q1 = caudal que teóricamente pasaría por el lugar ocupado por el estribo de la margen derecha Q1/Q = Pq = coeficiente que depende de la relación Q1/Q. Ver tabla N° 5 a = ángulo que forma el eje del estribo con la corriente Pa = coeficiente que depende del ángulo a . Ver tabla N° 4 R = talud que tiene el estribo PR = coeficiente que depende del talud que tiene el estribo. Ver tabla N° 6 Entonces, St = 1.14 m ds = profundidad de socavación respecto al fondo del cauce Asumimos So = 0.64 m So = 0.65 m 33 0.50 4.93 m m3/seg 3.94 m3/seg 0.80 1.27 88.73 ° 1.82 0.18 0.98 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” 8.3.0 APORTE DE SEDIMENTOS El aporte de sedimentos a un curso de río tiene gran influencia sobre la factibilidad técnica y económica y sobre la operación de proyectos de recursos hídricos. Los sedimentos ocasionan no solamente reducción de la capacidad de almacenamiento sino que también pueden llegar a ocasionar problemas en el funcionamiento de tomas y descargas de agua. La evaluación precisa de esta influencia se hace difícil porque normalmente existen limitaciones significativas en la información básica disponible. Sedimentos son todas aquellas partículas que una corriente lleva por deslizamiento, rodamiento, o saltación, ya sea en suspensión o sobre el fondo del lecho. Los sedimentos tienen su origen en el lecho, en las laderas del río y en la cuenca hidrográfica. Tres clases de materiales se distinguen en un cauce natural considerando únicamente la resistencia que ofrecen a ser transportados por una corriente: materiales no cohesivos o granulares, materiales cohesivos y rocas. El material granular está formado por partículas sueltas. La fuerza que un líquido debe hacer para mover las partículas es función del peso de cada partícula y del coeficiente de fricción interna. El material cohesivo está formado de partículas muy pequeñas que ofrecen resistencia al flujo de agua. La fuerza de cohesión que impide el transporte de las partículas por una corriente es considerablemente mayor que el peso de la partícula, y por lo tanto, una vez que esta fuerza es vencida, la partícula se puede comportar como si fuera granular y ser transportada en suspensión debido a su peso y tamaño reducidos. El material rocoso usualmente no es movido o erodado por una corriente de agua durante el tiempo de vida de una estructura. El material rocoso puede comportarse como granular si está fracturado y la energía del flujo es muy alta. El volumen de sedimentos que podría producir la cuenca en cada uno de las subcuencas considerados tiene especial significación en el diseño de las infraestructuras hidráulicas por que permite cuantificar el volumen que ocuparía en el embalse y que constituiría el volumen muerto. El aporte de sedimentos se determina utilizando diversas formulas empíricas y semiempiricas como aquellas de Namba, J:B: Owen y F:A. Branson, murano. Us Bureau Reclamation y la formula universal de perdida de suelos FUPS, que permiten cuantificar el aporte de sedimentos en ubicaciones especificas cuando no se cuenta con 34 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” mediciones de sedimentos ; en el presente estudio a todas las formulas, con excepción de la FUPS, se le agrupa bajo la denominación de empíricas. FORMULAS IMPIRICAS - FORMULA DE NAMBA AS 0.292P 0.474H 0.118F 2452 Donde AS = Aportación de sedimentos en m3/ km2 -Año P = Precipitación media anual en mm. H = Desnivel total de las elevaciones de la cuenca en metros = Relación del área de suelo desnudo a área de suelo cubierto de F vegetación, en porcentaje FORMULA DE J.B. OWEN Y F.A. BRANSON 1970 Para cuencas en el oeste del estado de Colorado,U.S.A. H AS 19464.6 14.29Ps 604.8 L Donde AS = Aportación de sedimentos en m3/ km2 -Año H L = Cociente entre el desnivel de cotas de la cuenca y la longitud total del cauce principal, adimensional Ps = porcentaje de suelo desnudo en la cuenca FORMULA DE MURANO Obtenida en base a datos de 103 embalses AS 10 3.2 A 0.21 P 0.97 Me1.21 Sc 0.68 Donde AS = A Aportación de sedimentos en m3/ km2 -Año = Área de la Cuenca en km2 P = Precipitación media anual Me = Elevación media de la cuenca en msnm 35 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” Sc = Pendiente promedio de la cuenca FORMULA SEGÚN U.S. BUERAU OF RECLAMATION AS 1421.8 A 0.229 Donde A = Área de la cuenca en km2 AS = Aportación de sedimentos en m3/ km2 -Año FORMULA OBTENIDA EN BASE A MEDICIONES EN LA CUENCA DEL RÍO CHINCAY AS 780.7 A 0.26 Donde A AS = = Área de la cuenca en km2 Aportación de sedimentos en m3/ km2 -Año Utilizando las datos de las Subcuencas y las formulas anteriormente referidas, se obtuvieron los volúmenes de aportes de los sedimentos, en las secciones y/o puntos de interés se muestran en el cuadro siguiente SUB CUENCA: RIO CHINCAY FORMULA m3/ km2 -año NAMBA 3639.96 OWEN Y BRANSON 398.09 MURANO 131.91 USBR 263.11 MED.EN MANTARO 114.98 PROMEDIO ANUAL 227.02 No se tuvo en cuenta de la formula de NAMBA 36 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” 9.00.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES: a.- Se analizaron los datos de precipitaciones promedios mensuales y máximos de 24 horas de las estaciones meteorológicas de Oxapampa (Oxapampa), y Oxapampa (Huancabamba) b.- La Sub Cuenca Alta del río Chincay para su mejor análisis, se demarcó con la finalidad de contar cuál es el volumen acumulado del recurso hídrico y conocer los caudales máximos que presentan en el área del proyecto de la construcción del Puente Carrozable sobre el río Chincay. Ver plano de demarcación la cuenca cuyo resultado es: c.- El Caudal que se presenta, con una avenida máxima Instantánea, donde es necesario tomar en cuenta las medidas necesarias de la ocurrencia de impactos negativos con los parámetros hidrológicos calculadas para el diseño de la estructura del Puente de Chincay es de 4.93 M3/seg, para un período de retorno de 50 años, mediante el método de Mac Math. d.- La determinación del período de retorno y la descarga máxima del diseño de acuerdo a la importancia de la estructura y consecuencia de la falla, donde garantiza las características Hidráulicas sería de 50 años de período de retorno. e.- Las características Hidráulicas en máximas avenidas para un período de retorno de 50 años, del río Chincay que se tomarán en cuenta son: ver cuadro No 23. (Ancho efectivo considerado = 8.20 metros) - Tirante del río para la máxima avenida = 1.10 metros. - Velocidad del flujo en máxima avenida = 2.14 metros - Área Hidráulica = 9.69 M2. - No de Froud = 0.74 - Energía específica = 2.63 m-Kg/Kg. - Tipo de Flujo: Subcrítico. 37 Estudio Hidrológico del Proyecto “CONSTRUCCIÓN PUENTE CARROZABLE CHINCAY, DISTRITO DE HUANCABAMBA, PROVINCIA DE OXAPAMPA PASCO” g.- La profundidad de Socavación general para el tipo de suelo obtenido del especialista en geotecnia y los resultados hidrológicos como velocidad media, ancho superficial, área de flujo, pendiente de línea de energía, nivel de la superficie de agua, perímetro de flujo y el radio hidráulico, se obtuvieron las socavaciones: Local y general. Tipo Socavación Local(m) Márgenes Derecha Izquierda 0.65 0.60 Socavación General(m) Período de retorno 50 Años 0.90 h.- Las ondas dinámicas de acuerdo a la simulación hidrológica, tránsitan flujos bajos, es un flujo no uniforme y no permanente, debido a que varían en el tiempo, y no uniforme de que las propiedades del flujo como la elevación de la superficie del agua, la velocidad y el caudal no son constantes a lo largo del río hasta la estudio proyectado, teniendo un tránsito del flujo no erosionable, por ser cauce permanente. RECOMENDACIONES: a.- El tirante del caudal máximo, fue tomado con los parámetros elementales que recomienda algunos autores como el coeficiente de rugosidad para la zona del área del estudio, donde existen obstáculos en crecientes temporales, por lo que es necesario considerar. 38
