CONSULTORIA ESPECIALIZADA PARA LA ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL DE LOS CORREDORES VIALES: 1. Bogotá – Bucaramanga 2. Bucaramanga – Pamplona 3. Duitama – Pamplona – Cúcuta 4. Norte de Santander 5. Transversal Cusiana – Carare – Boyacá 6. Manizales – Honda – Villeta CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO INFORME DE HIDROLOGÍA, HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CONTROL DE CAMBIOS FECHA CÓDIGO VERSION CAMBIOS Julio de 2015 5.2‐0‐B‐RE‐00 1 Emisión inicial RESPONSABLES ESTRUCTURADOR ELABORACIÓN REVISIÓN VALIDACIÓN Especialista Bernardo Díaz Orjuela Coordinador Mauricio Vivas Director Jose del Carmen Suarez Caro RESPONSABLES INTERVENTORIA REVISIÓN VALIDACIÓN Asesor Hidráulico Andrés Galarza Director de interventoría Isela Mesa de la Ossa ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO ........................................................................................................................ 2 LISTA DE TABLAS.................................................................................................................................. 5 LISTA DE FIGURAS................................................................................................................................ 7 LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................................ 9 1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 10 2 ANTECEDENTES HIDROLÓGICOS O HIDRÁULICOS .................................................................... 12 3 4 5 2.1 LOCALIZACIÓN ................................................................................................................... 12 2.2 METODOLOGÍA.................................................................................................................. 12 CLIMATOLOGÍA ......................................................................................................................... 14 3.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN ............................................................. 14 3.2 PRECIPITACIÓN TOTAL ...................................................................................................... 14 3.3 TEMPERATURA MEDIA ...................................................................................................... 16 3.4 EVAPORACIÓN TOTAL ....................................................................................................... 18 3.5 HUMEDAD RELATIVA ......................................................................................................... 20 3.6 BRILLO SOLAR .................................................................................................................... 22 3.7 VELOCIDAD DEL VIENTO .................................................................................................... 24 ANÁLISIS HIDROLÓGICO TRADICIONAL ..................................................................................... 26 4.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN ............................................................. 26 4.2 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS ...................................................... 26 4.2.1 Análisis de precipitación ............................................................................................ 26 4.2.2 Caudales de diseño.................................................................................................... 27 4.3 DELIMITACIÓN DE CUENCAS ............................................................................................. 28 4.4 ESTIMACIÓN DE CAUDALES............................................................................................... 29 4.4.1 Análisis de frecuencias de caudal .............................................................................. 29 4.4.2 Trasposición de caudales .......................................................................................... 29 4.4.3 Método racional ........................................................................................................ 29 4.4.4 Método regional ........................................................................................................ 31 4.4.5 Método del hidrograma unitario .............................................................................. 31 CAMBIO CLIMÁTICO .................................................................................................................. 33 5.1 VARIABILIDAD CLIMÁTICA ................................................................................................. 33 Página 2 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 5.1.1 Índices de extremos climáticos ................................................................................. 33 5.1.2 Generación de mapas Índices de extremos climáticos ............................................. 35 5.2 CAMBIO CLIMÁTICO (MODELO PRECIS ‐ IDEAM) .............................................................. 36 5.2.1 Escenarios SRES ......................................................................................................... 36 5.2.2 Escenarios RCP .......................................................................................................... 37 5.3 ANÁLISIS DE PRECIPITACIÓN ............................................................................................. 38 5.3.1 Modelo de circulación regional ................................................................................. 38 5.3.2 Relación entre la precipitación máxima en 24h y la precipitación total anual ......... 39 5.4 RELACIÓN ENTRE LA PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24H Y EL CAUDAL HIDROLÓGICO ...... 40 5.4.1 Método Racional ....................................................................................................... 40 5.4.2 Método del Hidrograma Unitario.............................................................................. 42 5.4.3 Métodos de regionalización y de caudal registrado en cauces instrumentados. ..... 42 5.5 INSUMOS PARA LA ESTIMACIÓN DEL RIESGO ................................................................... 43 6 DIAGNÓSTICO HIDRÁULICO ...................................................................................................... 44 7 DISEÑO HIDRÁULICO ................................................................................................................. 45 7.1 8 9 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS ...................................................... 45 7.1.1 Obras Menores .......................................................................................................... 45 7.1.2 Caudales de diseño.................................................................................................... 45 7.1.3 Funcionamiento Hidráulico ....................................................................................... 45 7.1.4 Control a la entrada................................................................................................... 47 7.2 OBRAS MAYORES .............................................................................................................. 47 7.3 OBRAS COMPLEMENTARIAS ............................................................................................. 49 7.3.1 Cunetas ...................................................................................................................... 49 7.3.2 Zanjas de coronación................................................................................................. 51 7.3.3 Drenaje Subsuperficial .............................................................................................. 54 7.3.4 Estructuras de disipación .......................................................................................... 56 7.3.5 Sitios Críticos ............................................................................................................. 59 ANÁLISIS DE SOCAVACIÓN ........................................................................................................ 60 8.1 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS ...................................................... 60 8.2 SOCAVACIÓN GENERAL ..................................................................................................... 60 8.3 SOCAVACIÓN LOCAL .......................................................................................................... 63 PROPUESTAS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ................................................................... 70 Página 3 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 9.1 Objetivos del Mantenimiento del Drenaje Vial ................................................................. 70 9.2 Mantenimiento De Obras De Drenaje............................................................................... 70 9.3 Limpieza De Alcantarillas Y Puentes .................................................................................. 74 9.3.1 Limpieza de alcantarillas ........................................................................................... 74 9.3.2 Limpieza de puentes y pontones............................................................................... 75 10 CANTIDADES DE OBRA .......................................................................................................... 76 11 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................ 77 12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 79 Página 4 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO LISTA DE TABLAS Tabla 3.1 Estaciones climatológicas seleccionadas ........................................................................... 14 Tabla 3.2 Resumen de valores de precipitación total (mm). Estación UPTC (1962 ‐ 2012) .............. 14 Tabla 3.3 Resumen de valores de precipitación total (mm). Estación El Túnel (1971 ‐ 2012) .......... 15 Tabla 3.4 Resumen de valores de temperatura media (°C). Estación UPTC (1978 ‐ 2013) ............... 17 Tabla 3.5 Resumen de valores de temperatura media (°C). Estación El Túnel (1978 ‐ 2013)........... 18 Tabla 3.6 Resumen de valores de evaporación (mm). Estación UPTC (1978 ‐ 2012) ....................... 18 Tabla 3.7 Resumen de valores de evaporación (mm). Estación El Túnel (1978 ‐ 2012) ................... 19 Tabla 3.8 Resumen de valores de humedad relativa (%). Estación UPTC (1979 ‐ 2012) .................. 20 Tabla 3.9 Resumen de valores de humedad relativa (%). Estación El Túnel (1978 ‐ 2012) .............. 22 Tabla 3.10 Resumen de valores de brillo solar (h). Estación UPTC (1979 ‐ 2012)............................. 23 Tabla 3.11 Resumen de valores de brillo solar (h). Estación El Túnel (1979‐2012) .......................... 23 Tabla 3.12 Resumen de valores de velocidad del viento (m/s). Estación UPTC (1976 ‐ 2013) ......... 24 Tabla 4.1 Estaciones de precipitación máxima en 24 horas seleccionadas. ..................................... 26 Tabla 4.2. Período de Retorno de Diseño ......................................................................................... 27 Tabla 4.3 Valores de los coeficientes de las curvas IDF sintéticas. ................................................... 31 Tabla 7.1. Ecuaciones para la hidráulica de alcantarillas. Control a la entrada ................................ 47 Tabla 7.2. Resultados análisis hidráulicos en sitios de ponteadero proyectados ............................ 49 Tabla 7.2. Dimensiones de la cuneta................................................................................................. 51 Tabla 7.3. Análisis hidrológico zanja de coronación típica ................................................................ 52 Tabla 7.4. Análisis hidráulico zanja de coronación típica .................................................................. 53 Tabla 7.5. Parámetros de entrada dimensionamiento geodrén vial ................................................ 55 Tabla 7.6. Parámetros calculados y resultados del geodrén vial ...................................................... 55 Tabla 7.7. Tipificación Canal con Pantalla Deflectora (CPD) ............................................................. 57 Tabla 7.8. Tipificación Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) ............................................. 58 Tabla 8.1. Coeficiente ..................................................................................................................... 62 Tabla 8.2. Factor de corrección del Número de Froude según el ángulo de formación de la corriente con las pilas ........................................................................................................ 64 Tabla 8.3 Coeficiente de corrección Pα, en función del ángulo α ..................................................... 68 Tabla 8.4. Coeficiente de corrección Pq, en función de la relación de caudales ............................... 68 Tabla 8.5. Coeficiente de corrección PR, en función del talud .......................................................... 68 Página 5 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tabla 8.6. Caracterización geotécnica en sitios de ponteadero ....................................................... 69 Tabla 11.1. Estadística obras de drenaje a construir – Hidrología convencional .............................. 77 Tabla 11.2. Estadística obras de drenaje a construir – Hidrología con cambio climático y variabilidad climática....................................................................................................... 78 Página 6 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Distribución temporal precipitación total. Estación UPTC (1962 ‐ 2012) ........................ 15 Figura 3.2 Distribución temporal precipitación total. Estación El Túnel (1971 ‐ 2012) .................... 16 Figura 3.3 Distribución temporal de la temperatura media. Estación UPTC (1979‐2012)................ 17 Figura 3.4 Distribución temporal de la temperatura media. Estación El Túnel (1979‐2012) ........... 18 Figura 3.5 Distribución temporal de la Evaporación Total. Estación UPTC (1978‐2012) .................. 19 Figura 3.6 Distribución temporal de la Evaporación Total. Estación El Túnel (1978‐2012) .............. 20 Figura 3.7 Distribución temporal de humedad relativa. Estación UPTC (1979‐2012) ...................... 21 Figura 3.8 Distribución temporal de la Humedad Relativa. Estación El Túnel (1978‐2012) ............. 22 Figura 3.9 Distribución temporal del Brillo Solar. Estación UPTC (1979‐2012) ................................ 23 Figura 3.10 Distribución temporal del Brillo Solar. Estación El Túnel (1979‐2012) .......................... 24 Figura 3.11 Distribución temporal de Velocidad del Viento. Estación UPTC (1976‐2013) ............... 25 Figura 4.1 Hidrograma adimensional del Soil Conservation Service (SCS)........................................ 32 Figura 5.1 Mapa índice de precipitación total anual (PRCTOT) ........................................................ 34 Figura 5.2 Comparación de la generación de mapas PRCTOT según el número de estaciones consideradas ...................................................................................................................... 35 Figura 5.3 Esquema de aplicabilidad de los escenarios SRES ............................................................ 36 Figura 5.4 Temperatura global en superficie ‐ Escenarios de cambio climático SRES. ..................... 37 Figura 5.5 Comparación de escenarios SRES y RCP para la temperatura global en superficie ......... 38 Figura 5.6 Precipitación ‐ SRES A2 y RCP 8,5 ‐ (2041‐2070) .............................................................. 39 Figura 5.7 Relación Pmax vs. anomalía de precipitación anual ........................................................ 40 Figura 7.1 Condiciones de Flujo en Alcantarillas ............................................................................... 46 Figura 7.2 Secciones cunetas típicas ................................................................................................. 50 Figura 7.3 Sección cuneta típica ........................................................................................................ 51 Figura 7.4 Localización típica zanja de coronación ........................................................................... 52 Figura 7.5 Relación profundidad – caudal (zanja de coronación típica) ........................................... 53 Figura 7.6 Sección hidráulica típica zanja de coronación .................................................................. 54 Figura 7.7 Esquema estructura de drenaje subsuperficial típica ...................................................... 54 Figura 7.8 Esquema canal con pantalla deflectora (CPD) típico ....................................................... 56 Figura 7.9 Esquema canal de rápidas con tapa y columpio (CRTC) típico ......................................... 58 Figura 8.1 Cálculo de la socavación utilizando el método gráfico .................................................... 63 Página 7 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 8.2 Socavación al pie de pilas rectangulares .......................................................................... 65 Figura 8.3 Socavación al pie de pila circulares .................................................................................. 66 Figura 8.4 Socavación al pie de pilas con extremos redondeados .................................................... 67 Figura 8.5 Método de Artamanov. Interceptación de flujo por los estribos dentro del canal ......... 69 Página 8 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO LISTA DE ANEXOS Anexo Contenido Formato Observaciones Anexo 1.1 Geodatabase antecedentes Magnético No aplica Anexo 1.2 Resumen antecedentes Magnético No aplica Anexo 1.3 Documentos consultados Magnético No aplica Anexo 2 Físico Series históricas parámetros climatológicos Anexo 3.1 Series históricas Pmax 24 h y Q Max Físico Anexo 3.2 Delimitación de cuencas Físico Anexo 3.3 Parámetros morfométricos Físico Anexo 3.4 Análisis de frecuencia Físico Anexo 3.5 Curvas IDF Físico Anexo 3.6 Polígonos de Thiessen Magnético Anexo 3.7 Caudales de diseño Físico Anexo 3.8 Curvas regionales de caudales Físico Anexo 4.1 Mapas de incremento de Precipitación Magnético Anexo 4.2 Figuras índices de extremos climáticos Magnético Anexo 4.3 Caudales con influencia del cambio climático Físico Anexo 5.1 Resumen inventario de obras de drenaje Magnético No Aplica Anexo 5.2 Diagnóstico hidráulico obras menores existentes Físico No Aplica Anexo 5.3 Diagnóstico hidráulico obras mayores existentes Físico No Aplica Anexo 5.4 Secciones batimétricas Magnético No Aplica Anexo 6.1 Diseño hidráulico de obras menores Físico Anexo 6.2 Esquemas hidráulicos de obras menores Anexo 6.3 Análisis hidráulico sitios de ponteadero proyectados Físico Anexo 7.1 Esquemas de socavación Físico Anexo 7.2 Localización de sitios críticos Físico Anexo 8.1 Cantidades de obra ‐ obras menores Físico Físico No Aplica Página 9 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 1 INTRODUCCIÓN El presente informe corresponde al estudio de hidrología, hidráulica y socavación del Corredor 5 en el tramo Tunja ‐ Sogamoso, compuesto por las variantes nuevas de Tunja, Paipa y Duitama del proyecto de Estructuración Integral de los Corredores Viales: 1. Bogotá – Bucaramanga 2. Bucaramanga – Pamplona 3. Duitama – Pamplona – Cúcuta 4. Norte de Santander 5. Transversal Cusiana – Carare – Boyacá 6. Manizales – Honda – Villeta. Este informe está compuesto por los siguientes capítulos: Capítulo 2: Antecedentes hidrológicos o hidráulicos: Presenta la investigación sobre sucesos ocurridos en el corredor, referidos a eventos de tipo hidrológico o hidráulico, que de alguna manera afectaron la infraestructura, y en especial ocurridos durante el periodo 2010 – 2012, ocasionados por el Fenómeno de la Niña. Capítulo 3: Climatología: Presenta los análisis de los principales parámetros climatológicos de la zona en estudio, obtenidos de las estaciones climatológicas ubicadas en cercanías del proyecto. Capítulo 4: Análisis hidrológico tradicional: Presenta los resultados del estudio hidrológico de acuerdo con las teorías tradicionales. Capítulo 5: Cambio climático: Presenta el resultado de los análisis del cambio climático en la zona del proyecto, así como su afectación sobre los análisis hidrológicos tradicionales. Capítulo 6: Diagnóstico hidráulico: Se hace aquí una revisión de la capacidad hidráulica de las obras existentes sobre el corredor, tanto menores como mayores, a partir de los caudales estimados mediante la hidrología tradicional, y teniendo en cuenta la variabilidad y cambio climático. Capítulo 7: Diseño hidráulico: Se presentan los diseños de las obras nuevas requeridas por el proyecto, ya sea porque se requiere un nuevo trazado vial, porque se modifica la geometría del trazado actual, por necesidad de ubicar una nueva obra en el trazado existente o porque una obra existente no tiene capacidad para soportar el caudal estimado. Capítulo 8: Socavación en sitios críticos: Se presenta el análisis de la socavación, tanto general como local, en las obras mayores que se consideran como críticas, por haber presentado algún antecedente hidráulico. Capítulo 9: Propuestas de operación y mantenimiento: Se presentan las actividades propuestas para el mantenimiento y operación del tramo en estudio. Capítulo 10: Cantidades de obra: Incluye las cantidades requeridas de acuerdo con el diagnóstico de obras existentes, diseño de obras nuevas y análisis de socavación. Capítulo 11: Conclusiones y recomendaciones: se presentan las principales conclusiones y recomendaciones del estudio, especialmente lo relacionado con los caudales de diseño obtenidos para el escenario con cambio climático y el número de obras nuevas como producto de la evaluación de las obras existentes. Capítulo 12: Referencias bibliográficas Página 10 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Finalmente, en los anexos se presenta información detallada y complementaria de lo incluido en el texto del informe. Página 11 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 2 ANTECEDENTES HIDROLÓGICOS O HIDRÁULICOS El presente numeral constituye la descripción metodológica y entrega de resultados, de una búsqueda cuidadosa de sucesos históricos hidrológicos ocurridos en los tramos correspondientes a las variantes Tunja, Paipa y Duitama entre los años 2010 y 2014, los cuales se deben tener en cuenta como premisa para la definición de parámetros de diseño en los componentes de hidrología, hidráulica y socavación, para de esta forma proponer y definir soluciones constructivas eficientes y duraderas en el tiempo útil del corredor vial. Se destacan en particular en este documento los detalles de la metodología de trabajo utilizada. 2.1 LOCALIZACIÓN Estos tramos del corredor 5 corresponde a las variantes de los municipios antes mencionados; sin embargo, a lo largo del tramo no se encontraron problemáticas ni tipos de intervención, por lo tanto no se presenta el esquema de localización con antecedentes hidrológicos o hidráulicos. 2.2 METODOLOGÍA El proceso de búsqueda se inicia con una clasificación de la información: por un lado la búsqueda de documentos técnicos (estudios, informes) que se hayan hecho sobre el corredor vial entre los años 2010 y 2014. Por otro lado, la búsqueda de eventos históricos del corredor vial ocurridos en el mismo lapso y en donde la lluvia fue factor fundamental para su ocurrencia: derrumbes, inundaciones, avalanchas, socavación, niveles freáticos altos, procesos de reptación, procesos de meteorización y fallas geológicas que atraviesan el corredor vial y que con la acción de lluvias continuas desestabilizaron las vías. Las fuentes de información fueron las siguientes: Documentos proporcionados por el concesionario directamente. Documentos de INVIAS Documentos de la ANI Documentos de contratistas de las concesiones Páginas de Internet. La información obtenida tanto de estudios técnicos como de los sucesos hidrológicos ocurridos en años anteriores representa condiciones históricas o pronosticadas a tener en cuenta en los diseños para minimizar los riesgos de desastres por causa de cambios climáticos. Para este corredor vial se han clasificado los eventos históricos así como los eventos pronosticados en los estudios técnicos, con el fin de dar claridad sobre los sitios críticos y de mayor atención en caso de presentarse lluvias de alta intensidad y prolongadas en el tiempo. La clasificación adoptada fue la siguiente: Sitios de fallas geológicas que atraviesan el corredor vial: La información obtenida en los documentos estudiados hacen referencia de las fallas geológicas que atraviesan el corredor vial. Muchas de ellas en épocas de invierno se activan provocando fenómenos de reptación, deslizamientos y ruptura de la banca. Las fracturas originadas por las fallas geológicas son Página 12 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO fácilmente inundadas de agua y generan superficies de deslizamientos que son responsables de los derrumbes. En estos sectores las obras hidráulicas deben buscar la recolección muy rápida de las aguas lluvias para conducirlas a la zona de entrega más adecuada y de esta manera evitar que se generen superficies de falla por la infiltración del agua hacia el interior de los taludes. Estudios sobre sitios susceptibles de inundación: Los estudios geológicos en el sector, hacen un análisis morfológico del terreno, así como la de la permeabilidad del mismo, para dejar definidas varias zonas de inundación en época invernal. La evacuación rápida de las aguas lluvias así como la disposición de obras de drenaje pueden disminuir notablemente los eventos de inundación garantizando el buen comportamiento del corredor vial. Estudios sobre sitios de zonas de deslizamiento en época invernal: En la información obtenida en los documentos estudiados, citan zonas de deslizamientos que, por la composición de los materiales de los taludes, el paso de alguna falla geológica y la acción continua de las lluvias, generará desestabilización y derrumbes sobre la vía. El oportuno trabajo de las estructuras hidráulicas puede permitir la no acumulación de aguas lluvias sobre los taludes del corredor vial y lograr que los materiales que lo componen no se saturen. Esto minimiza los fenómenos de reptación y caída de materiales sobre la vía. Puentes Destruidos: En este corredor vial, dos puentes fueron afectados en los últimos años por los efectos de las lluvias, que provocaron los fenómenos de socavación y activación de fallas geológicas. Aunque las fallas geológicas sean casi imposibles de controlar, el control completo de la escorrentía superficial cerca de ellas, evita que se introduzcan grandes cantidades de agua hacia el interior del suelo provocando superficies de deslizamiento que se pueden convertir en derrumbes y aumentos excesivos del nivel freático en la zona, que afectaría el material granular que compone la estructura de la carretera. Puentes con problemas de socavación: En las visitas a campo, se hizo un inventario de puentes con su respectiva calificación, encontrándose en varios de ellos procesos de socavación en sus estructuras. Aunque en la mayoría de ellos estos procesos de socavación no han avanzado lo suficiente para comprometer su oficio estructural, si deja entrever la necesidad de crear obras hidráulicas de protección para detener su avance. Sitios críticos por acción de las lluvias: Las lluvias excesivas que ocurrieron entre los años 2010 y 2011 dejaron muchos daños en este corredor vial que soportó varios derrumbes e inundaciones. Por consiguiente, las obras hidráulicas tendientes a evacuar las aguas lluvias deben incrementarse en estos sectores para evitar la repetición de estos eventos. Página 13 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 3 CLIMATOLOGÍA 3.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Para la toma y análisis, a partir de la información recibida del IDEAM, se revisó nuevamente la cantidad de registros de las estaciones escogidas preliminarmente (catálogo IDEAM), verificando que las estaciones escogidas finalmente presentaran registros iguales o mayores a 10 años en cada uno de los parámetros a analizar o que tuvieran registros de los años recientes. En la Tabla 3.1 se presentan las características de las estaciones que se definieron como puntos de medición de información relevante para el proyecto, de acuerdo con los criterios mencionados anteriormente. Adicionalmente, en el Anexo 2 se presentan las series históricas de los parámetros climatológicos analizados en dichas estaciones. Tabla 3.1 Estaciones climatológicas seleccionadas Código Estación Corriente Categoría Fecha instalación Entidad Elevación (msnm) Latitud Longitud Grad Min Sec Dir Grad Min Sec Departamento Municipio Dir 24035130 UPTC CHULO CP 1962‐02‐15 IDEAM 2690 5 33 12.8 N 73 21 19 W BOYACA TUNJA 35095030 TUNEL EL LAG DE TOTA CO 1971‐02‐15 IDEAM 3000 5 34 19.6 N 72 56 38 W BOYACA CUITIVA CP: Climatológica principal CO: Climatológica ordinaria En el Anexo 3.2 se presenta la localización de las estaciones climatológicas analizadas en el estudio. 3.2 PRECIPITACIÓN TOTAL En general, el régimen pluviométrico en la zona de estudio presenta un comportamiento bimodal con un período lluvioso entre los meses de abril a mayo y otro en los meses de septiembre a noviembre, dependiendo de la ubicación del tramo correspondiente. En la Tabla 3.3 y en la Figura 3.2 se presenta la variación temporal de la precipitación total a nivel mensual en la estación UPTC; en esta estación la precipitación total para un año promedio es 659 mm; el mes más húmedo es abril con un promedio de 93 mm y el mes más seco es enero con un promedio de 18 mm; la precipitación media mensual multianual es de 55 mm. El régimen es bimodal con un período lluvioso de abril a junio y otro en los meses de octubre y noviembre, los dos períodos secos corresponden a los meses de diciembre a marzo, y los meses de julio a septiembre. El valor máximo de precipitación se presentó en abril de 2012 con 303 mm y el menor con precipitación de 0 mm se presentó en diciembre de 1998. Tabla 3.2 Resumen de valores de precipitación total (mm). Estación UPTC (1962 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 18.1 25.0 50.7 92.5 83.3 57.9 48.1 40.0 47.9 86.2 76.7 32.4 658.9 MÁXIMO 93.7 123.7 142.7 303.3 187.5 117.1 166.0 96.2 141.3 183.0 180.9 111.3 303.3 MÍNIMO 0.2 0.2 0.5 8.2 18.0 20.1 21.2 17.2 12.3 16.8 11.2 0.1 0.1 Página 14 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.1 Distribución temporal precipitación total. Estación UPTC (1962 ‐ 2012) 100 90 Precipitación (mm) 80 70 Promedio= 55 mm/Mes 60 50 40 30 20 10 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL Precipitación Media Mensual AGO SEP OCT NOV DIC Promedio Multianual En la Tabla 3.3 y en la Figura 3.2 se presenta la variación temporal de la precipitación total a nivel mensual en la estación El Túnel; en esta estación la precipitación total para un año promedio es 764 mm; el mes más húmedo es abril con un promedio de 102 mm y el mes más seco es enero con un promedio de 18 mm; la precipitación media mensual multianual es de 64 mm. El régimen es bimodal con un período lluvioso de abril a julio y otro en los meses de octubre y noviembre, los dos períodos secos corresponden a los meses de diciembre a marzo, y los meses de agosto y septiembre. El valor máximo de precipitación se presentó en abril de 2010 con 257 mm y el menor con precipitación de 0 mm se presentó en enero de 1988. Tabla 3.3 Resumen de valores de precipitación total (mm). Estación El Túnel (1971 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 18.3 31.1 60.7 101.6 89.6 69.8 75.8 59.2 62.4 87.5 80.9 27.3 764.2 MÁXIMO 78.5 92.7 131.4 257.2 186.3 162.0 184.1 124.7 139.8 186.0 215.7 76.2 257.2 MÍNIMO 0.2 0.8 8.4 12.0 36.0 30.3 34.6 20.9 23.6 11.1 0.4 0.6 0.2 Página 15 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.2 Distribución temporal precipitación total. Estación El Túnel (1971 ‐ 2012) 120 Precipitación (mm) 100 80 Promedio= 64 mm/Mes 60 40 20 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN Precipitación Media Mensual 3.3 JUL AGO SEP OCT NOV DIC Promedio Multianual TEMPERATURA MEDIA La temperatura media mensual multianual registrada en la estación UPTC es de 13,1 °C, la temperatura media máxima se presenta en marzo (13,8 °C) y la temperatura media mínima en julio (12,2 °C). En la distribución temporal de esta variable en la estación UPTC, se observa que a nivel medio mensual, los meses de octubre a mayo registran temperaturas superiores al promedio, mientras que en los meses de junio a septiembre se registran temperaturas por debajo del valor promedio (véase la Tabla 3.5 y la Figura 3.4). Página 16 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.3 Distribución temporal de la temperatura media. Estación UPTC (1979‐2012) 14.0 13.84 13.82 13.54 Temperatura (°C) Promedio multianual 13.48 13.5 13.26 Temperatura media mensual 13.44 Promedio= 13,1°C 13.22 13.20 13.0 12.72 12.70 12.5 12.32 12.17 12.0 11.5 11.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Mes Tabla 3.4 Resumen de valores de temperatura media (°C). Estación UPTC (1978 ‐ 2013) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 13.26 13.54 13.84 13.82 13.48 12.72 12.17 12.32 12.70 13.20 13.44 13.22 13.14 MÁXIMO 14.34 15.00 15.09 15.34 14.38 13.43 13.16 13.14 13.16 13.86 14.21 14.31 15.34 MÍNIMO 12.59 12.68 12.81 13.07 12.83 12.09 11.11 11.71 11.93 12.35 12.74 12.51 11.11 La temperatura media mensual multianual registrada en la estación El Túnel es de 11,5 °C, la temperatura media máxima se presenta en marzo y abril (11,8 °C) y la temperatura media mínima en agosto (10,9 °C). En la distribución temporal de esta variable en la estación El Túnel, se observa que a nivel medio mensual, los meses de noviembre a mayo registran temperaturas superiores al promedio, mientras que en los meses de junio a octubre se registran temperaturas por debajo del valor promedio (véase la Tabla 3.5 y la Figura 3.4). Página 17 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.4 Distribución temporal de la temperatura media. Estación El Túnel (1979‐2012) 12.0 11.83 11.83 11.76 11.8 Temperatura media mensual 11.78 11.78 Promedio multianual 11.65 Temperatura (°C) 11.6 11.59 Promedio= 11,5°C 11.42 11.39 11.4 11.2 11.14 11.0 10.94 10.93 JUL AGO 10.8 10.6 10.4 ENE FEB MAR ABR MAY JUN SEP OCT NOV DIC Mes Tabla 3.5 Resumen de valores de temperatura media (°C). Estación El Túnel (1978 ‐ 2013) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 11.65 11.76 11.83 11.83 11.78 11.39 10.94 10.93 11.14 11.42 11.59 11.78 11.50 MÁXIMO 12.74 13.14 13.02 13.18 12.86 12.81 12.67 12.65 12.27 12.37 12.34 13.54 13.54 MÍNIMO 10.67 10.56 11.21 11.24 11.11 10.55 9.99 10.26 10.26 10.82 10.89 10.87 9.99 3.4 EVAPORACIÓN TOTAL En la Tabla 3.6 y en la Figura 3.5 se presenta la variación temporal de la evaporación total a nivel mensual en la estación UPTC; en esta estación la evaporación total para un año promedio es 1234 mm; el mes en el que más se presenta evaporación en promedio es enero con un valor de 126 mm y el mes con menor evaporación en promedio es junio con un promedio de 81 mm; la evaporación media mensual multianual es 103 mm. Tabla 3.6 Resumen de valores de evaporación (mm). Estación UPTC (1978 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 125.95 121.45 121.92 99.27 91.50 81.30 86.49 94.41 100.37 102.23 97.15 112.19 1234.22 MÁXIMO 153.80 139.50 148.70 117.30 105.20 93.40 100.20 111.20 117.60 119.60 115.20 210.00 210.00 MÍNIMO 101.30 95.90 94.80 62.40 74.50 68.30 73.10 76.50 82.00 80.30 78.60 92.60 62.40 Página 18 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.5 Distribución temporal de la Evaporación Total. Estación UPTC (1978‐2012) 130.0 125.95 Evaporación total mensual 121.92 121.45 Promedio multianual 120.0 Evaporación (mm) 112.19 110.0 100.37 Promedio = 102.9mm 102.23 99.27 100.0 97.15 94.41 91.50 90.0 86.49 81.30 80.0 70.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Mes En la Tabla 3.7 y en la Figura 3.6 se presenta la variación temporal de la evaporación total a nivel mensual en la estación el Túnel; en esta estación la evaporación total para un año promedio es 1185 mm; el mes en el que más se presenta evaporación en promedio es enero con un valor de 122 mm y el mes con menor evaporación en promedio es julio con un promedio de 84 mm; la evaporación media mensual multianual es 98 mm. Tabla 3.7 Resumen de valores de evaporación (mm). Estación El Túnel (1978 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 121.65 113.35 115.88 97.20 93.52 85.46 83.77 85.34 88.94 96.53 95.78 107.36 1184.78 MÁXIMO 149.80 134.20 146.40 116.70 130.40 104.40 104.90 99.30 106.30 117.10 202.00 217.00 217.00 MÍNIMO 72.80 80.90 74.70 48.50 75.20 62.70 55.10 36.30 64.90 54.00 54.40 64.10 36.30 Página 19 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.6 Distribución temporal de la Evaporación Total. Estación El Túnel (1978‐2012) 130.0 Evaporación total mensual Promedio multianual 121.65 120.0 115.88 113.35 Evaporación (mm) 110.0 107.36 Promedio = 98.7mm 97.20 100.0 96.53 95.78 OCT NOV 93.52 85.34 90.0 88.94 85.46 83.77 80.0 70.0 60.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP DIC Mes 3.5 HUMEDAD RELATIVA La humedad relativa en un año promedio es 79% en la estación UPTC; el valor mínimo promedio es 74,5% en el mes de febrero; el valor máximo promedio de 82,6% se presentó en junio (ver Tabla 3.8). La Figura 3.7 presenta la distribución temporal de la humedad relativa en esta estación. Tabla 3.8 Resumen de valores de humedad relativa (%). Estación UPTC (1979 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 74.84 74.54 75.85 79.39 81.43 82.56 82.28 81.38 78.98 79.09 79.74 77.80 78.99 MÁXIMO 80.26 81.00 82.77 84.00 86.16 86.53 85.77 85.35 82.43 82.16 85.21 84.52 86.53 MÍNIMO 66.74 67.14 70.90 74.43 76.19 76.25 77.69 75.45 73.67 72.91 71.25 69.20 66.74 Página 20 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.7 Distribución temporal de humedad relativa. Estación UPTC (1979‐2012) 84.0 Humedad relativa media mensual 82.56 82.28 81.38 Promedio multianual Humedad Relativa (%) 82.0 80.0 81.43 79.39 78.98 Promedio = 79% 79.09 79.74 77.80 78.0 75.85 76.0 74.84 74.54 74.0 72.0 70.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Mes La humedad relativa en un año promedio es 83,6% en la estación El Túnel; el valor mínimo promedio es 80,1% en el mes de enero; el valor máximo promedio de 85,3% se presentó en agosto (véase la Tabla 3.9). La Figura 3.8 presenta la distribución temporal de la humedad relativa en esta estación. Página 21 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.8 Distribución temporal de la Humedad Relativa. Estación El Túnel (1978‐2012) 88.0 Humedad relativa media mensual Promedio multianual 84.96 86.0 Humedad Relativa (%) 84.84 84.0 84.65 85.26 84.80 84.95 84.93 84.17 Promedio = 83.6% 82.58 82.0 81.43 80.93 80.12 80.0 78.0 76.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Mes Tabla 3.9 Resumen de valores de humedad relativa (%). Estación El Túnel (1978 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 80.12 80.93 82.58 84.84 84.95 84.96 84.65 85.26 84.17 84.80 84.93 81.43 83.63 MÁXIMO 89.50 92.26 92.87 92.60 92.03 90.86 91.10 91.48 91.17 92.00 92.10 92.77 92.87 MÍNIMO 67.90 71.21 74.44 78.08 78.73 79.28 77.48 81.04 77.08 77.73 75.73 73.18 67.90 3.6 BRILLO SOLAR El total anual de horas de sol registradas en la Estación UPTC es de 1953 horas. El promedio mensual es 162,8 horas. El valor mínimo promedio se presenta en el mes de junio y corresponde a 130,2 horas, y el valor máximo promedio en el mes de enero y corresponde a 225,9 horas (ver Tabla 3.10). En la Figura 3.9 se presenta la distribución temporal del brillo solar en esta estación. Página 22 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.9 Distribución temporal del Brillo Solar. Estación UPTC (1979‐2012) 240.0 Brillo solar total mensual 225.9 Promedio multianual 220.0 203.5 191.7 Brillo Solar (Hr) 200.0 172.4 180.0 Promedio = 162.8Hr 160.4 160.0 150.7 149.0 152.6 AGO SEP OCT 143.5 138.7 140.0 134.7 130.2 120.0 100.0 80.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL NOV DIC Mes Tabla 3.10 Resumen de valores de brillo solar (h). Estación UPTC (1979 ‐ 2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 225.9 191.7 172.4 138.7 134.7 130.2 143.5 150.7 149.0 152.6 160.4 203.5 1953.3 MÁXIMO 279.8 229.1 234.0 170.8 179.3 159.4 174.0 187.2 196.0 192.6 202.9 252.5 279.8 MÍNIMO 184.3 136.0 120.2 104.6 106.7 93.0 110.2 74.0 103.9 111.2 104.5 156.9 74.0 El total anual de horas de sol registradas en la estación El Túnel es de 1817 horas. El promedio mensual es 151,4 horas. El valor mínimo promedio se presenta en el mes de abril y corresponde a 121,6 horas, y el valor máximo promedio en el mes de enero y corresponde a 229,8 horas (ver Tabla 3.11). En la Figura 3.10 se presenta la distribución temporal del brillo solar en esta estación. Tabla 3.11 Resumen de valores de brillo solar (h). Estación El Túnel (1979‐2012) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 229.8 182.1 160.6 121.6 129.3 122.3 131.5 129.8 131.0 135.3 147.7 196.2 1817.1 MÁXIMO 282.5 240.5 210.0 160.3 177.4 170.7 179.2 157.9 178.1 173.7 204.9 253.3 282.5 MÍNIMO 162.2 102.8 63.5 53.3 67.4 73.4 64.6 49.7 84.9 87.7 63.2 108.2 49.7 Página 23 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.10 Distribución temporal del Brillo Solar. Estación El Túnel (1979‐2012) 240.0 229.8 Brillo solar total mensual Promedio multianual 220.0 196.2 200.0 Brillo Solar (Hr) 182.1 180.0 160.6 160.0 Promedio = 151.4Hr 140.0 131.5 129.8 129.3 147.7 131.0 135.3 SEP OCT 122.3 121.6 120.0 100.0 80.0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO NOV DIC Mes 3.7 VELOCIDAD DEL VIENTO En la estación UPTC, la velocidad promedio del viento es 3,1 m/s y los vientos más fuertes se presentan de junio a septiembre; el valor medio más alto se registra en julio (2,6 m/s) y el más bajo en noviembre (2,1 m/s). En la Tabla 3.12 y en la Figura 3.11 presenta la distribución temporal de la velocidad del viento en esta estación. Tabla 3.12 Resumen de valores de velocidad del viento (m/s). Estación UPTC (1976 ‐ 2013) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL MEDIO 2.35 2.42 2.37 2.28 2.23 2.47 2.62 2.60 2.43 2.19 2.10 2.16 2.35 MÁXIMO 2.59 2.76 2.80 2.76 2.54 2.95 3.01 3.10 2.71 2.48 2.50 2.49 3.10 MÍNIMO 2.00 2.10 1.78 1.98 1.96 2.16 2.18 2.23 2.08 1.95 1.82 1.87 1.78 Página 24 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 3.11 Distribución temporal de Velocidad del Viento. Estación UPTC (1976‐2013) 2.9 Velocidad del viento media mensual Velocidad del viento (m/S) 2.7 2.5 2.62 Promedio multianual 2.60 2.47 2.35 2.42 2.43 2.37 Promedio = 2,4 m/s 2.28 2.3 2.23 2.16 2.19 2.10 2.1 1.9 1.7 1.5 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL Mes AGO SEP OCT NOV DIC Página 25 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 4 ANÁLISIS HIDROLÓGICO TRADICIONAL 4.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Para el análisis hidrológico se recopiló la información correspondiente a las estaciones de precipitación máxima en 24 horas y caudales máximos que tienen influencia en la zona del proyecto, de esta manera se presenta el resumen de las estaciones de precipitación seleccionadas en la Tabla 4.1, las estaciones de caudales que se usaron en el corredor se presentan en el Anexo 3.8. Tabla 4.1 Estaciones de precipitación máxima en 24 horas seleccionadas. Código 24030400 24030350 24030610 24035120 24035130 24030450 24010840 24010830 Estación STA ROSA D VITERBO DUIT AMA EMPODUIT AMA SURBATA BONZA UPT C ENCANT O EL PANELAS SAN PEDRO IGUAQUE Corriente EL MANZANO CHIT ICUY CHIT ICUY SURBA CHULO CHULO POMECA CHULO Categoría PM PG PM AM CP PM PM PG Fecha de Instalación 15/02/1964 15/01/1959 15/06/1972 15/03/1944 15/02/1962 15/05/1992 15/08/1980 15/08/1980 Entidad Elevación (m.s.n.m.) IDEAM IDEAM IDEAM IDEAM IDEAM IDEAM IDEAM IDEAM 2690 2540 2590 2485 2690 2645 3195 2985 Latitud Longitud Grad Min Sec Dir Grad Min Sec Dir 5 5 5 5 5 5 5 5 52 7.4 N 50 3.5 N 51 0 N 48 8.8 N 33 12.8 N 36 22.8 N 38 4.6 N 38 24 N 72 73 73 73 73 73 73 73 Departamento 59 8.8 W BOYACA 2 8.5 W BOYACA 3 0 W BOYACA 4 28.1 W BOYACA 21 19 W BOYACA 19 24.1 W BOYACA 23 8.9 W BOYACA 27 1.6 W BOYACA Municipio STA. R. D. VITERBO DUITAMA DUITAMA DUITAMA TUNJA OICATA MOTAVITA CHIQUIZA En el Anexo 3.2 se presenta la localización de las estaciones hidroclimatológicas analizadas en el estudio. 4.2 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS Los análisis hidrológicos contemplan el cálculo de los caudales máximos para el diseño y revisión hidráulica de los puentes, pontones y de las estructuras de drenaje de las vías del proyecto, aplicando los métodos hidrológicos que mejor se ajusten a la información disponible. 4.2.1 Análisis de precipitación Se realizarán los siguientes análisis de precipitación: Determinar la precipitación media, necesaria para caracterizar el régimen de lluvias en la zona del proyecto a nivel mensual. Determinar la precipitación máxima en 24 horas para diferentes períodos de retorno, para el cálculo de los caudales máximos afluentes a los sitios de las estructuras de drenaje de las vías de del proyecto, utilizando modelos lluvia – escorrentía. Para realizar los análisis de precipitación se requieren los registros de las estaciones pluviográficas y pluviométricas localizadas en las cuencas aferentes a las obras de drenaje o las más cercanas a la región hidrológica. Se utilizaron las estaciones que preferiblemente dispongan de un período de registro igual o mayor que la mitad del período de retorno que se establezca para el diseño de la obra hidráulica. La decisión final de adoptar los registros de las estaciones seleccionadas inicialmente dependerá de la disponibilidad de la información. Para determinar la variación temporal y el régimen de la precipitación media en el sitio del proyecto se utilizarán los registros de las estaciones pluviográficas o pluviométricas seleccionadas. Página 26 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO La variación se espacial se obtendrá de los planos regionales de precipitación del IDEAM. Los análisis de precipitación máxima que se realizarán son los siguientes: La magnitud de la lluvia de diseño se determinará mediante el ajuste estadístico de las precipitaciones máximas registradas en las estaciones de interés para el estudio. El ajuste estadístico de las precipitaciones máximas anuales se realizará mediante el uso de funciones de distribución de probabilidad que se ajusten adecuadamente a la tendencia de los valores de precipitación máxima registrados en las estaciones seleccionadas. La distribución temporal de una tormenta incide directamente en la respuesta hidrológica de la cuenca y se determina local o regionalmente; esta distribución se obtuvo a partir de la elaboración del hietograma con base en la metodología del hidrograma de tormenta sintético elaborado por el U.S. Soil Conservation Service para tormentas con una duración de seis horas. 4.2.2 Caudales de diseño El cálculo de los caudales de diseño se realizará para períodos de retorno de 5, 10, 20, 25, 50 y 100 años. Se adoptarán para diseño los períodos de retorno establecidos en la Tabla 2.8 del Manual de Drenaje para Carreteras, (Véase Tabla 4.2). Tabla 4.2. Período de Retorno de Diseño Tipo de Obra Período de Retorno (años) Alcantarillas de 0,90 m de diámetro 10 Alcantarillas mayores a 0,90 m de diámetro 20 Puentes y Box‐culvert menores (luz menor a 10 m) 25 Puentes y Box‐culvert de luz mayor o igual a 10 m y 50 menor a 50 m Puentes de luz mayor o igual a 50 m 100 Fuente: INVIAS, 2009 Para el cálculo de los caudales máximos para el diseño de las obras se tendrán en cuenta los siguientes criterios: 4.2.2.1 Cuencas con registro de caudales máximos Para las cuencas que posean registros de caudales máximos anuales medidos en las estaciones hidrométricas en la corriente en estudio o en corrientes vecinas de características fisiográficas semejantes, se utilizarán métodos estadísticos para determinar la magnitud de los escurrimientos en el sitio de drenaje. Los caudales máximos asociados a diferentes períodos de retorno se calcularán mediante las metodologías de Gumbel o Log Pearson III recomendadas por el Manual de Drenaje para Carreteras. Con datos históricos de caudal en el sitio de proyecto Si se cuenta con una estación hidrométrica sobre una corriente de agua de la hoya hidrográfica hasta el sitio de proyecto de cruce con la vía que se estudia, con datos históricos de caudal máximo instantáneo, se toman sus valores máximos instantáneos anuales, se ajustan a distribuciones probabilísticas conocidas, y se hacen inferencias estadísticas. Se debe tener en Página 27 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO cuenta que los caudales máximo instantáneos son los valores de caudal máximo que cruzan por una sección hidrométrica en una corriente, y son registrados en estaciones limnigráficas a través de datos de lecturas de miras máximas instantáneas, integradas con la respectiva curva de calibración de caudales líquidos. En las estaciones limnimétricas solamente se pueden calcular valores puntuales de caudal en las horas del día en las cuales se leen las lecturas de mira de las mismas. Transposición de datos de caudal Es posible que la estación hidrométrica sobre la corriente de agua que cruza la vía que se estudia no se encuentre exactamente en el sitio de proyecto de la obra de drenaje vial, sino en la misma hoya hidrográfica, en otra ubicación. Análisis regional de caudales máximos instantáneos Teniendo en cuenta que en el proyecto se cuenta con la información correspondiente a las series históricas de varias estaciones hidrométricas con datos de caudales máximos instantáneos anuales históricos en regiones de cierta magnitud e hidrológicamente homogénea, se puede aplicar el método del análisis regional de frecuencias de esta variable hidrológica con base en la metodología descrita en el Anexo 3.8. 4.2.2.2 Cuencas sin registro de caudales máximos Cuencas con área de drenaje menor a 2,5 km² Para cuencas hasta de 2,5 km² de área, se aplicará el Método Racional para el cálculo de los caudales máximos que se determina como límite superior dentro del Manual de Drenaje para Carreteras. Este método estima los caudales máximos a partir de datos de precipitación teniendo en cuenta el área de drenaje, el tiempo de concentración y los coeficientes de escorrentía que relacionan el volumen real del agua precipitada con el volumen real de la escorrentía. El coeficiente de escorrentía a su vez, considera la morfometría, tipo de suelo, cobertura vegetal y la humedad antecedente de cada cuenca. Cuencas con área de drenaje mayor a 2,5 km² Para estimar los caudales máximos en cuencas mayores de 2,5 km², se utilizará el método del Hidrograma Unitario del U.S.Soil Conservation Service que estima la escorrentía producida por una tormenta de diseño (hidrograma de la creciente) con base en la relación que existe entre la humedad antecedente del terreno y el complejo suelo‐cobertura, y en el hidrograma unitario sintético del U.S. Soil Conservation Service de la cuenca. Este último se determina mediante parámetros como el tiempo de concentración y el tiempo LAG. 4.3 DELIMITACIÓN DE CUENCAS Con base en el Modelo Digital de Elevación (DEM) con celdas de 30 m x 30 m, cartografía del IGAC a escala 1:25000, el trazado de la vía y la localización de las obras existentes se realizó la delimitación de las cuencas de drenaje. Adicionalmente, se complementó la delimitación con la ayuda de ortofotos e imágenes de acceso gratuito como Google Earth y así mejorar el detalle de la delimitación. Página 28 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO En algunos casos no es posible realizar una delimitación más detallada y se tiene una cuenca drenando a más de una obra, y por lo tanto su caudal se estimó en función a la capacidad hidráulica ponderada de las obras que drenan esa cuenca. 4.4 ESTIMACIÓN DE CAUDALES 4.4.1 Análisis de frecuencias de caudal En cuencas donde se tienen estaciones de medición directa de caudales y/o registros históricos de las series de caudales máximos se estimaron los caudales máximos esperados para diferentes períodos de retorno utilizando diferentes distribuciones de probabilidad, entre ellas Normal, Gumbel, Pearson, Log‐Pearson, Log‐Normal y EV3. Finalmente, se seleccionó la distribución tipo Gumbel, con ánimo de ser conservadores en las estimaciones. 4.4.2 Trasposición de caudales Se pueden transferir caudales máximos instantáneos anuales de diferentes periodos de retorno de esta estación hasta el sitio de proyecto, mediante relaciones de áreas de drenaje, así: A QSP QEH SP AEH n Ecuación 4.1 Dónde: QSP : Caudal en el sitio de proyecto, (m³/s). Q EH : Caudal en la estación hidrométrica, (m³/s). ASP : Área de drenaje de la cuenca hidrográfica hasta el sitio de proyecto, (km²). A EH : Área de drenaje de la cuenca hidrográfica hasta la estación hidrométrica, (km²). n : Coeficiente de traslado, varía entre 0.5 y 0.7, para el presente estudio se usó un valor igual a 0.6. 4.4.3 Método racional Para el cálculo del caudal máximo correspondiente a un período de retorno mediante el Método Racional se utiliza la siguiente expresión: QTr 0 , 278 C I A Ecuación 4.2 Dónde: Q Tr : Caudal máximo para el período de retorno Tr establecido, (m³/s). C : Coeficiente de escurrimiento de la cuenca en estudio. Página 29 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO I : Intensidad de lluvia para una duración de tormenta igual al tiempo de concentración Tc, para el período de retorno Tr establecido, (mm/h) A : Área de drenaje de la cuenca, (km²) El Método Gráfico desarrollado por el U.S. Soil Conservation Service para el cálculo de caudales máximos en cuencas pequeñas, consiste en la utilización de la gráfica que relaciona el tiempo de concentración, en horas, con el caudal pico unitario, teniendo en cuenta la precipitación, tipo de suelo, uso del suelo y condiciones de cobertura. Los parámetros de entrada para el cálculo del caudal máximo son: el período de retorno, la precipitación máxima en 24 horas, el número de curva (CN), el área de drenaje, la pendiente del cauce y la longitud hidráulica. El caudal pico se calcula mediante la siguiente expresión: Q qp A E Ecuación 4.3 Dónde: Q : Caudal pico, (m³/s). qp : Caudal pico unitario (m³/s/km²/mm). I : Intensidad de lluvia para una duración de tormenta igual al tiempo de concentración Tc, para el período de retorno Tr establecido, (mm/h) A : Área de drenaje de la cuenca, (km²) E : Escorrentía (mm) 4.4.3.1 Coeficiente de escorrentía El coeficiente de escorrentía representa la relación que existe entre la escorrentía superficial generada por un aguacero al compararse con la precipitación caída. Éste coeficiente depende de numerosos factores, entre ellos: el tipo de precipitación (lluvia, granizo, nieve), de la cantidad de precipitación, de la intensidad de la lluvia, del tipo de cobertura vegetal del suelo, del tipo de terreno, entre otros, y su valor varía entre cero y uno. Los coeficientes de escorrentía se seleccionaron de acuerdo al tipo de cobertura vegetal y al período de retorno para el cual se requiere calcular los caudales, teniendo como referencia los valores consignados en la tabla 15.1.1 del libro "Hidrología aplicada" de Chow, Maidment y Mays, 1994. 4.4.3.2 Intensidad de precipitación La intensidad de la lluvia de diseño se obtiene de las curvas IDF (Intensidad‐Duración‐Frecuencia) sintéticas estimadas por Vargas y Díaz‐Granados, mediante la expresión: Página 30 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO I a Tb d M tc Ecuación 4.4 Donde, I = Intensidad de la lluvia (mm/h). T = Periodo de retorno (años). t = Duración de la lluvia (min). M = Promedio de los máximos anuales de precipitación en 24 horas (mm) a, b, c, d = Coeficientes que dependen de la región del país. Los coeficientes están asociados a la localización de la región, en este caso la región andina, cuyos valores se muestran a continuación: Tabla 4.3 Valores de los coeficientes de las curvas IDF sintéticas. Región R1 ‐ R. Andina 4.4.4 a 0.94 b 0.18 c 0.66 d 0.83 Método regional En general cabe resaltar que para la estimación de caudales usando el método regional en el corredor 5 tramo Tunja – Sogamoso aplica la llamada región 4. El método regional al igual que la metodología usada para la región específica se detalla en el Anexo 3.8. 4.4.5 Método del hidrograma unitario Los hidrogramas unitarios se utilizan para estimar el caudal que se tendrá en un punto sobre la corriente a la salida de una cuenca, con base en la lluvia que se presente en dicha cuenca para un período de retorno dado. El hidrograma unitario utilizado fue el hidrograma adimensional del Soil Conservation Service, en el cual el caudal en un tiempo t, se expresa por la relación entre dicho caudal (q), con respecto al caudal pico (qp), y el tiempo se expresa por la relación entre dicho tiempo (t), con respecto al tiempo de ocurrencia del caudal pico en el hidrograma unitario o tiempo de retardo (Tp). Conocidos los valores de caudal pico y tiempo de retardo el hidrograma unitario puede estimarse a partir del hidrograma sintético adimensional del SCS, el cual se presenta en la Figura 4.1 El caudal pico está dado por: qp 0.2083 A E Tp Ecuación 4.5 Página 31 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO tp tr 0 ,6 t c 2 Ecuación 4.6 Donde, qP A E tr tp tc = = = = = Caudal pico unitario (m³/s/mm). Área de drenaje (km²). Escorrentía unitaria (1 mm). Duración de la lluvia efectiva (h) Tiempo de retardo de la cuenca (h). = Es el tiempo de concentración (h). El tiempo de retardo está dado por: L0,81000/ CN 9 tp 1900S0,5 0,7 Donde, tp L CN S = Es el tiempo de retardo t p Ecuación 4.7 0.6 tc (h). = Longitud de la mayor trayectoria de flujo (ft) = Numero de curva SCS, depende del tipo de suelo y la cobertura vegetal. = Es la pendiente promedio de la cuenca (%). Figura 4.1 Hidrograma adimensional del Soil Conservation Service (SCS). En el Anexo 3.7 se presentan los caudales de diseño estimados en las cuencas de drenaje mediante la aplicación de los métodos mencionados anteriormente. Página 32 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 5 CAMBIO CLIMÁTICO Con el objeto de establecer la afectación generada para los corredores viales, por efectos de la variabilidad y el cambio climático, se realizará un análisis multicriterio a partir de los registros de las series históricas en las estaciones seleccionadas de la red hidrometeorológica IDEAM, los resultados de los modelos de circulación global y regional para cada una de las simulaciones de los diferentes escenarios de cambio climático aplicables en el territorio colombiano, y finalmente los reportes de antecedentes de los administradores viales para cada corredor, validados con los datos geográficos oficiales. 5.1 VARIABILIDAD CLIMÁTICA En primer lugar, el análisis de variabilidad climática consiste en el análisis estadístico de los registros de la red hidrometeorológica, para el cual se empleará una metodología recomendada por el IDEAM, definida como índices de extremos climáticos, la cual se presenta a continuación: 5.1.1 Índices de extremos climáticos Consisten en la definición de 27 parámetros, los cuales se encuentran asociados a la precipitación acumulada diaria y a los extremos diarios de temperatura mínima y máxima. Son calculados mediante la herramienta RCLIMDEX, la cual es programada en la plataforma R, y fueron propuestos y desarrollados por el equipo de expertos de la ETCCDMI ‐ (Climate Change Detection Monitoring and Índices) asociados al Centro Nacional de Datos Climáticos (NCDC por sus siglas en ingles) de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Del total de índices de extremos climáticos definidos, el análisis se realizará para aquellos índices asociados a la precipitación, por cuanto impactan directamente el caudal de cada una de las estructuras hidráulicas de los corredores viales a estructurar. En consecuencia, los índices considerados, así como la definición de cada uno de ellos se presentan a continuación: Máximo anual de precipitación en un (1) día. rx1day : rx5day : Máximo anual de precipitación en 5 días consecutivos. Sdii : Precipitación total anual/días con lluvia al año con (Prec. > 1,0mm). r10mm : Número de días en un año con lluvia mayor a 10mm. r20mm : Número de días en un año con lluvia mayor a 20mm. r40mm : Número de días en un año con lluvia mayor a 40mm. cdd : Mayor número de días secos consecutivos en un año. cwd : Mayor número de días húmedos consecutivos en un año. r95p : Número de días en un año con lluvia mayor al percentil 95 para los días Página 33 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO húmedos (Prec. > 1,0mm). r99p : Número de días en un año con lluvia mayor al percentil 99 para los días húmedos (Prec. > 1,0mm). Prcptot : Precipitación total al año. prcptot_normal : Precipitación total al año / promedio anual. Para el proyecto de estudio, se revisaron los resultados de los índices de extremos climáticos calculados en el año 2011 por parte de la subdirección de Meteorología del IDEAM para todo el territorio colombiano. Dichos resultados fueron generados a partir del análisis estadístico de 310 estaciones seleccionadas con base en criterios como la extensión de la seria histórica, la localización o representatividad y la calidad de los datos (Mayorga, Hurtado, & Benavides, 2011). El mapa resultante para el índice de precipitación total anual (PRCTOT) se presenta en la Figura 5.1. Figura 5.1 Mapa índice de precipitación total anual (PRCTOT) Fuente (Mayorga, Hurtado, & Benavides, 2011) Posteriormente, se procedió a identificar aquellas estaciones empleadas por el IDEAM en su estudio de Evidencias de cambio Climático en Colombia con base en información estadística, no solo con el objeto de actualizar y validar los resultados reportados en el año 2011, sino de calcular los demás índices asociados a la precipitación y que sirvan de análisis espacial para los corredores viales de estudio. Para la zona de influencia del proyecto, de las 310 estaciones analizadas por el IDEAM, se identificaron 63 estaciones, de las cuales para 31 de ellas se cuentan con datos de la red Página 34 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO hidrometeorológica en virtud a las estaciones seleccionadas para el estudio hidrológico tradicional y que por consiguiente son objeto de análisis mediante RCLIMDEX. El objeto de generar los mapas de índices de extremos climáticos, consiste en identificar el grado de afectación de cada corredor, razón por la cual se hizo necesario verificar si los mapas generados a partir del análisis de la información hidroclimatológica disponible por parte de esta consultoría son aplicables para el presente estudio teniendo en cuenta los generados en el IDEAM. En virtud a lo anterior, se compararon los mapas generados para el índice PRCTOT por parte del IDEAM (Figura 5.2 (a)), con el mapa generado para las 31 estaciones con información actualizada (Figura 5.2(b)). Dicha comparación, hizo necesario adicionar una serie de estaciones y descartar otras de ellas, debido a la calidad de los datos y a la longitud de las series registradas. Dicho análisis de selección de estaciones para estimación de índices de extremos climáticos se describe en el documento del Anexo 4 y cuyo resultado se presenta en la Figura 5.2 (c), en donde se observa mayor correlación respecto de la información oficial generada por el IDEAM. Figura 5.2 Comparación de la generación de mapas PRCTOT según el número de estaciones consideradas (a) 5.1.2 (b) (c) Generación de mapas Índices de extremos climáticos Una vez definidas las estaciones de análisis, con los criterios de calidad de los registros descritos anteriormente, y con base en los resultados de los índices de extremos climáticos para cada una de ellas, a partir de un análisis multiparámetro, que represente con criterio estadístico un aumento o una disminución en la precipitación, indicando tendencias de zonas húmedas o secas por efectos de variabilidad climática, se interpolaron los datos de las estaciones para la generación de los mapas de variabilidad climática por índices de extremos climáticos. Los mapas del factor ponderado de índices de extremos climáticos, así como el mapa para el índice PRCTOT o de anomalía de precipitación empleado en la estimación de los incrementos en las precipitaciones máximas en 24h tal cuya relación se describe posteriormente, se presentan en los documentos del Anexo 4. Página 35 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 5.2 CAMBIO CLIMÁTICO (MODELO PRECIS ‐ IDEAM) El análisis de cambio climático, consistirá en comparar las predicciones realizadas en los escenarios aplicables en el territorio Colombiano SRES y RCP, cuyas diferencias se describen a continuación: 5.2.1 Escenarios SRES Los escenarios de cambio climático, se basan en proyecciones de emisiones de gases de efecto invernadero. El IPCC utiliza el reporte especial de escenarios de emisiones (SRES), los cuales conllevan a establecer las tendencias en incrementos de la temperatura global para los próximos 100 años. El escenario A2 (desfavorable) el cual describe un territorio con un crecimiento tecnológico y un desarrollo más fragmentado y el escenario B2 con soluciones locales de sostenibilidad económica, social y ambiental) con los estudios hidrológicos tradicionales. El esquema de la aplicabilidad de cada escenario definido se presenta en la Figura 5.3. Figura 5.3 Esquema de aplicabilidad de los escenarios SRES Fuente: (Acevedo, 2009) Los datos de dichos escenarios, conforme a las directrices del Panel Intergubernamental ‐ IPCC por sus siglas en inglés, recopilados de los modelos de circulación global MCG, presentes en la base de datos The Global Historical Climtology Network a escala mensual, se convierten en las condiciones de frontera para el modelo de circulación regional, aplicado por el IDEAM (PRECIS ‐ Providing Regional Climates for Impacts Studies), resultados sobre los cuales se basa el presente análisis. Página 36 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 5.4 Temperatura global en superficie ‐ Escenarios de cambio climático SRES. Fuente: (Ruiz, 2010) 5.2.2 Escenarios RCP Posteriormente, para el quinto informe de evaluación del grupo intergubernamental de expertos sobre el cambio climático, se propone una reestructuración de los escenarios que identifican el marco de referencia de las emisiones denominados vías de concentraciones representativas o RCP por sus siglas en inglés. Dichos escenarios se basan en el concepto de forzamiento radiativo, definido como la cantidad media de energía solar absorbida por metro cuadrado sobre la tierra medido en W/m2, definición aplicada por el IPCC para describir cambios en los balances de energía impuestos por factores internos (deriva continental, cambios en la composición atmosférica, interacción entre los componentes del sistema tierra, procesos antrópicos) o por factores externos (ciclos solares de largo plazo, cambios en la geometría de la órbita de la tierra, de la incidencia de los rayos solares e incluso impacto de cuerpos procedentes del espacio exterior). El cambio en la definición de escenarios aplicables, no se han especificado para el caso colombiano, sin embargo por la magnitud del incremento en la temperatura global en superficie, los escenarios críticos A2 y B2, pueden corresponder a escenarios RCP 6.0 y RCP 8.5. Las proyecciones de la temperatura global en superficie para los escenarios definidos en la cuarta comunicación del IPCC (2007), en contraste con las proyecciones de los escenarios definidos en la quinta comunicación (2013) se presentan en la Figura 5.5. Página 37 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 5.5 Comparación de escenarios SRES y RCP para la temperatura global en superficie 5.3 ANÁLISIS DE PRECIPITACIÓN El análisis de precipitación adelantado consiste en la comparación de las precipitaciones provenientes de los registros de las estaciones de la red hidrometeorológica, respecto de los datos de los modelos de circulación regional empleando los mapas de cada escenario propuesto por el panel intergubernamental ‐ IPCC. 5.3.1 Modelo de circulación regional El análisis para el modelo de circulación regional parte de los productos del IDEAM para las diferentes simulaciones; un análisis preliminar que consiste en la comparación de los mapas reportados, permitió identificar dentro de los dos grupos de escenarios (SRES y RCP), aquellos zonas con mayores incrementos de la precipitación, zonas que son simuladas bajo los escenarios SRES A2 y RCP 8,5 para el periodos 2041‐2070. Los mapas asociados a dichos escenarios críticos se presentan en la Figura 5.6 Página 38 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 5.6 Precipitación ‐ SRES A2 y RCP 8,5 ‐ (2041‐2070) Fuente (IDEAM) Una vez identificados los resultados a emplear dentro del análisis, el análisis multicriterio consistirá en la superposición de los mapas de variabilidad climática y cambio climático en términos para establecer los incrementos máximos asociados a la precipitación total anual y en la precipitación máxima en 24 horas cuya relación se indica posteriormente. Debido a que para cada uno de los análisis realizados de variabilidad y cambio climático, los resultados se especifican principalmente en incrementos en la precipitación total anual o anomalías de precipitación, se hace necesario encontrar la relación entre dichos incrementos y los incrementos asociados a las precipitaciones máximas en 24 horas, los cuales afectan directamente el diseño de las obras de drenaje. 5.3.2 Relación entre la precipitación máxima en 24h y la precipitación total anual En virtud a lo anterior, se busca que dichos resultados tendrán una relación con los incrementos en las precipitaciones máximas asociadas; para ello es necesario identificar la relación entre incremento en la precipitación total anual y el incremento en la precipitación máxima diaria; dichas relaciones han sido investigadas por diferentes autores, en virtud al escalamiento de la precipitación como es el caso del método simple para la estimación de la precipitación máxima en 24 horas en la zona central de Chile. De manera similar, esta consultoría estableció la relación entre las anomalías de precipitación total anual, indicador, que como se ha mencionado, es empleado comúnmente para presentar los resultados de los diferentes modelos de predicción en variabilidad y cambio climático, y los incrementos en términos absolutos de la precipitación máxima en 24h para el año 2070, a partir de la información de las estaciones seleccionadas. Página 39 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Vale la pena resaltar que para el caso de los análisis de variabilidad climática mediante el cálculo de los índices extremos climáticos, de las 35 estaciones indicadas, por efectos de tendencias con incrementos en precipitación total anual pero con reducciones en los valores de precipitación máxima diaria, se descartaron un total de seis estaciones que presentan dicha condición. Por consiguiente, la expresión resultante del análisis de las estaciones indicadas presentan una correlación de 0.69, tal y como se presenta en la Figura 5.7. Figura 5.7 Relación Pmax vs. anomalía de precipitación anual Incremento en Pmax (mm) 60.000 40.000 20.000 0.000 ‐20.000 ‐40.000 y = ‐13.374x2 + 49.622x + 0.5953 R² = 0.6881 ‐60.000 1.500 1.000 0.500 ‐ ‐0.500 ‐1.000 ‐1.500 ‐80.000 Anomalia de precipitación anual Est. Variabilidad Climática Regresión La relación presenta una dispersión considerable para dos estaciones, pero que sin embargo se hace énfasis en que por su localización y por la comparación entre los mapas de los modelos de circulación regional (cambio climático), dicha zona es evaluada con una anomalía mayor a la estimada con el índice de extremos climáticos (variabilidad climática), razón por la cual la ecuación encontrada reflejará un mayor valor a partir de la anomalía registrada en los mapas de cambio climático. 5.4 RELACIÓN ENTRE LA PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24H Y EL CAUDAL HIDROLÓGICO Como se mencionó, los incrementos adoptados corresponden a incrementos en la precipitación total anual y su relación con la precipitación máxima en 24 horas, por medio de los cuales se estimaran los incrementos en los caudales de diseño para aquellas cuencas en zonas susceptibles a la afectación de la variabilidad o el cambio climático; dichas perturbaciones se estimaran conforme a las siguientes consideraciones: 5.4.1 Método Racional Considera la intensidad de diseño en función del periodo de retorno y de la región a evaluar, así como otros parámetros definidos para las curvas IDF generadas por la metodología de Vargas, Díaz‐Granados, que se desarrollan a partir del parámetro M o valor promedio de las precipitaciones (milímetros) máximas anuales registradas en una estación pluviométrica. Página 40 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Por consiguiente, se propone modificar el valor de M por el valor correspondiente al incremento en la precipitación máxima anual esperada para el año 2070, año en el cual se cuenta con los resultados de los modelos de circulación regional y en cuyo periodo se encuentra la vida útil de la obra de drenaje. De tal manera y conforme a lo anterior, el incremento en el caudal de diseño para los diferentes periodos de retorno se determinara mediante las siguientes expresiones: Tb ia c M t d Ecuación 5.1 Donde: i : Intensidad de precipitación (mm / h) T : Periodo de retorno (años) t : Duración de la lluvia (h) M : Promedio multianual de precipitación máxima en 24 h (mm) a, b, c, d : Parámetros de ajuste de la regresión El nuevo valor del parámetro M (Mamp) está definido en función del incremento encontrado en la precipitación máxima en 24h(dM) con base en la relación descrita anteriormente para el caso de variabilidad y cambio climático: Mamp M dM Ecuación 5.2 Donde: Mamp : Parámetro M incrementado (mm) M : Promedio multianual de precipitación máxima en 24 h (mm) a, b, c, d : Incremento en la precipitación máxima en 24 h encontrado en función del incremento de la precipitación total anual o anomalía de precipitación. Por consiguiente y en virtud a la relación directa entre el caudal y la intensidad de diseño para el método racional, el incremento en el caudal está asociado al incremento de la intensidad: Q amp M amp d Ecuación 5.3 Donde: Página 41 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Qamp : Caudal hidrológico ampliado. 5.4.2 Método del Hidrograma Unitario. Para el método del hidrograma unitario, en el cual, los datos de precipitación son obtenidos a partir de la aplicación de la distribución de probabilidad Gumbel el cual estima los valores para cada periodo de retorno considerado, el porcentaje de incremento en el parámetro M será aplicado a cada valor de precipitación obtenido el cual posteriormente es distribuido conforme a la metodología de bloques alternos. Estos nuevos valores de precipitación para cada periodo de retorno se emplearán para las nuevas corridas del hidrograma unitario, por consiguiente, el valor del incremento en el caudal para este método se estimará de la relación entre los caudales obtenidos sin la alteración de la precipitación y los caudales obtenidos con la alteración de la precipitación por efecto de variabilidad o cambio climático, según la mayor afectación en la zona de la cuenca a evaluar. 5.4.3 Métodos de regionalización y de caudal registrado en cauces instrumentados. Para las cuencas en donde aplica los métodos de regionalización, en las cuales el caudal es estimado a partir del valor del área de la cuenca a evaluar, así como para las cuencas en donde la el caudal es obtenido a partir del análisis de máximos conforme a los registros de estaciones limnimétricas o limnigráficas bien sea en el punto de análisis o por el traslado de los caudales, se empleará la misma metodología descrita en el caso del método del hidrograma unitario. Por consiguiente, para dichas cuencas se estimará el caudal por el método del hidrograma unitario con alteración y sin alteración de la precipitación por cambio climático y el porcentaje de incremento será aplicado a los caudales de regionalización o los caudales registrados según corresponda conforme a la siguiente expresión: Qcc.regional Qsc.regional Qcc.HU Qsc.HU Ecuación 5.4 Donde: Qcc.regional : Caudal con cambio climático para el método regional o del análisis de las estaciones. Qsc.regional : Caudal sin cambio climático para el método regional o del análisis de las estaciones. Qcc.HU : Caudal con cambio climático para el método del hidrograma unitario. Qsc.HU : Caudal sin cambio climático para el método del hidrograma unitario. Página 42 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Los niveles asociados para las obras mayores, serán estimados a partir de los modelos hidráulicos disponibles con los dos escenarios de caudal estimados; es decir sin alteración y con alteración debida a la variabilidad o al cambio climático. 5.5 INSUMOS PARA LA ESTIMACIÓN DEL RIESGO A continuación se presenta un resumen de la metodología para realizar el análisis de riesgos del corredor; sin embargo, dicho análisis se presenta en el Documento correspondiente a: Capítulo VII Evaluación del Riesgo. Para encontrar la Relación entre los eventos y la precipitación se definió la precipitación como un factor detonante, ya que Los factores detonantes son los procesos o fenómenos coyunturales que activan o aceleran el peligro considerado, como la precipitación, la sismicidad y la actividad antrópica. Este es un aspecto fundamental para determinar la amenaza, pues en una zona aparentemente estable, existen elementos que pueden cambiar las condiciones naturales en un momento determinado (SANCHEZ & MENDOZA, 2001). Estudios previos han encontrado la relación entre los deslizamientos y la precipitación con respecto a su intensidad y duración, presentándose dos análisis de la precipitación: El primero corresponde a la lluvia acumulada o de larga duración, denominada como la lluvia acumulada durante un mes y la segunda a la lluvia máxima registrada durante las veinticuatro horas. El modelo utilizado en este estudio determinó la precipitación máxima en veinticuatro horas como el factor detonante que más acelera los procesos de deslizamiento, ya que su intensidad alta y poca duración produce mayores episodios como las inundaciones generando avalanchas y deslizamientos. Se estimaron los valores de precipitación máxima para diferentes períodos de retorno (50, 100 y 200 años) y teniendo en cuenta la consideración del cambio climático para los eventos de precipitación. Bajo el enfoque anterior, el cambio climático aumenta el valor de precipitación y su correspondiente caudal de diseño. Adicionalmente, se definieron los parámetros utilizados en el estudio de riesgo para el factor detonante de la precipitación máxima, los rangos que se presentaron se obtuvieron del rango de incidencia y los puntajes más altos, y corresponde a los valores de precipitación máxima más altos. Se tomó el método probabilístico para medir la amenaza asociada con un fenómeno natural mediante la frecuencia de ocurrencia y la severidad medida mediante el parámetro de precipitación determinado en una ubicación geográfica específica. El análisis de la amenaza está basado en la frecuencia histórica de eventos y en la severidad de cada uno de ellos. Página 43 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 6 DIAGNÓSTICO HIDRÁULICO Teniendo en cuenta que el tramo Tunja – Sogamoso corresponde a las variantes nuevas de Tunja, Paipa y Duitama, no hay obras existentes y por lo tanto no se realizó ningún diagnóstico hidráulico. Página 44 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 7 DISEÑO HIDRÁULICO 7.1 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS 7.1.1 Obras Menores Para dimensionar hidráulicamente las estructuras, se determinaron las condiciones de flujo y el tipo de control hidráulico. Los parámetros que se adoptaron se presentan a continuación: Para estructuras con pendiente (So) superior a la pendiente crítica (Sc), se presentarán condiciones de flujo con control de entrada. En caso contrario (So < Sc), existirá flujo con control de salida. Para pendientes mayores o iguales a la pendiente mínima (1%), se presentan generalmente condiciones de control de entrada. En este caso, los factores predominantes para determinar la capacidad de la alcantarilla son el área del conducto, la geometría de la entrada y la altura de la lámina aguas arriba. La elevación máxima del agua al paso de la creciente de diseño (antes de entrar a la obra), se considerará igual a la elevación de la cota clave de la obra de drenaje en consideración. La altura de velocidad de aproximación se considera despreciable, comparada con la altura de la velocidad dentro del conducto. 7.1.2 Caudales de diseño El caudal de diseño se calculó en función del tamaño de su cuenca aferente y del tipo de obra de acuerdo con la Tabla 4.2. Los caudales de diseño de las obras de drenaje se presentan en el Anexo 3.7 para el caso de hidrología tradicional y en el Anexo 4.3 para el caso en el que los caudales de diseño son influenciados por el cambio climático. 7.1.3 Funcionamiento Hidráulico El flujo en una alcantarilla es usualmente no uniforme, presentando zonas con flujo gradualmente variado y zonas con flujo rápidamente variado, por lo que su análisis teórico es complejo. De acuerdo con lo anterior, donde se encuentre la sección de control en la alcantarilla, el flujo puede ser con control a la entrada o con control a la salida y dependiendo de la sumergencia o no de los extremos del conducto y la condición de flujo (a tubo lleno o parcialmente lleno), se presentan diferentes tipos de flujo, los cuales han sido clasificados por diferentes autores como Bodhaine (Chow, 1994). Ver Figura 7.1. Página 45 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 7.1 Condiciones de Flujo en Alcantarillas Fuente: Chow, 1994 Página 46 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 7.1.4 Control a la entrada El funcionamiento de la alcantarilla con control a la entrada es descrito con las siguientes ecuaciones: Tabla 7.1. Ecuaciones para la hidráulica de alcantarillas. Control a la entrada Fuente: INVIAS, 2009 Para el diseño, la condición ideal de flujo corresponde al caso A con control a la entrada, o el caso E con control a la salida, en el cual no existe sumergencia ni a la entrada ni a la salida; la altura crítica se encuentra en la entrada, siendo el flujo a superficie libre de tipo supercrítico, aproximándose a la altura normal en la salida de la alcantarilla. Teniendo en cuenta el diseño hidráulico mencionado anteriormente, se dimensionaron las obras requeridas en este tramo, lo cual se presenta en el Anexo 6.1, y los esquemas típicos de las obras de drenaje se presentan en el Anexo 6.2. 7.2 OBRAS MAYORES Como se mencionó anteriormente, el tramo Tunja ‐ Sogamoso corresponde a un tramo totalmente nuevo conformado por las variantes de Tunja, Paipa y Duitama, y dadas las condiciones topográficas de la zona, fue necesario diseñar puentes nuevos para lo cual se estimó el nivel del agua en la sección transversal correspondiente al eje de cada sitio de ponteadero, teniendo en cuenta los caudales de diseño determinados a partir de las metodologías para hidrología tradicional y la afectada por los modelos de cambio y variabilidad climática. Para llevar a cabo los estudios hidráulicos, se tomaron en primer lugar, los valores de caudales máximos instantáneos teóricos calculados para el periodo de retorno de diseño definido, producidos por las áreas de drenaje de las corrientes de agua hasta el sitio de la obra correspondiente. La simulación hidráulica de los cauces se realizó teniendo en cuenta las ecuaciones de flujo gradualmente variado, trabajando de acuerdo con la ecuación de Bernoulli: 2 2 V V Z1 Y1 1 Z 2 Y2 2 h 2g 2g Ecuación 7.1 Página 47 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Donde: Nivel del fondo del canal aguas arriba (1) y abajo (2) del tramo, denominado este término cabeza de posición, en m. Lámina de agua aguas arriba (1) y abajo (2) del tramo, denominado este término cabeza de presión, en m. Cabeza de velocidad aguas arriba (1) y abajo del tramo (2), denominado este término cabeza de velocidad, en m. Pérdidas de energía en el tramo, dividiéndose en pérdidas por fricción y localizadas, en m. Z Y V 2 2g h 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: S S hf e1 e2 L 2 Ecuación 7.2 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 V 2 n2 43 Rh Ecuación 7.3 Donde: n V Rh : : : Coeficiente de rugosidad de Manning. Velocidad promedio del agua, en m/s. Radio hidráulico, en m, igual al área hidráulica A, en m2, dividida entre el perímetro mojado P, en m. Se ha definido, un coeficiente de rugosidad de Manning para los cálculos hidráulicos llevados a cabo igual a 0,040 para el centro del río y de 0,035 para las bancas. Por otro lado, las pérdidas localizadas hL en un punto del canal de las corrientes analizadas se expresan mediante la ecuación: 2 hL K 2 V1 V 2 2g 2g Ecuación 7.4 Donde: K V : : Coeficiente de pérdidas localizadas, adimensional. Velocidad promedio aguas arriba (1) y aguas abajo (2) del punto o tramo en donde se produce la pérdida localizada, en m/s. Los niveles correspondientes a la creciente de diseño en los sitios nuevos de ponteadero se presentan en el Anexo 6.3. A continuación, en la Tabla 7.2 se presenta el resumen del análisis hidráulico realizado en los sitios de ponteadero proyectados. Página 48 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tabla 7.2. Resultados análisis hidráulicos en sitios de ponteadero proyectados NOMBRE TIPO Cota inferior mínima superestructura (msnm) Q50 (m³/s) Nv 50 (msnm) Gálibo50 (m) Q100 (m³/s) Nv 100 (msnm) Gálibo100 (m) Q50cc (m³/s) Nv 50cc (msnm) Gálibo50CC (m) Q100cc (m³/s) Nv 100cc (msnm) Gálibo100CC (m) NP12 Puente Proyectado 2,486.32 14.61 2,483.74 2.58 17.79 2,483.82 2.50 17.32 2,483.81 2.51 21.09 2,483.90 2.42 NP14 Puente Proyectado 2,485.72 84.81 2,483.03 2.69 107.52 2,483.22 2.50 135.19 2,483.42 2.29 168.22 2,483.65 2.07 NP18 Puente Proyectado 2,491.56 1.09 2,489.05 2.52 1.31 2,489.06 2.50 1.33 2,489.07 2.50 1.59 2,489.09 2.48 NP22 Puente Proyectado 2,489.75 11.90 2,487.15 2.60 14.93 2,487.25 2.50 21.48 2,487.45 2.31 26.36 2,487.57 2.18 NP26 Puente Proyectado 2,879.07 6.93 2,876.47 2.60 9.01 2,876.57 2.50 25.53 2,877.10 1.97 32.17 2,877.25 1.83 NP28 Puente Proyectado 2,887.71 3.91 2,885.17 2.54 4.83 2,885.21 2.50 5.59 2,885.23 2.48 6.91 2,885.27 2.43 NP30 Puente Proyectado 2,852.79 4.88 2,850.20 2.59 6.04 2,850.29 2.50 6.99 2,850.35 2.44 8.64 2,850.46 2.33 Q50: Q100: Q50 CC: Q100 CC: Caudal Tr=50 años, hidrología tradicional Caudal Tr=100 años, hidrología tradicional Caudal Tr=50 años, cambio climático Caudal Tr=100 años, cambio climático 7.3 OBRAS COMPLEMENTARIAS 7.3.1 Cunetas Nv50: Nv100: Nv50CC: Nv100CC: Nivel Tr=50 años, hidrología tradicional Nivel Tr=100 años, hidrología tradicional Nivel Tr=50 años, cambio climático Nivel Tr=100 años, cambio climático Las cunetas son estructuras de drenaje que captan las aguas de escorrentía superficial proveniente de la plataforma de la vía y de los taludes de corte, conduciéndolas longitudinalmente hasta asegurar su adecuada disposición. Las cunetas construidas en zonas en terraplén protegen también los bordes de la berma y los taludes del terraplén de la erosión causada por el agua lluvia. Para las cunetas en zonas de corte, los puntos de disposición son cajas colectoras de alcantarillas y salidas laterales al terreno natural en un cambio de corte a terraplén. En las cunetas en terraplén, las aguas se disponen al terreno natural mediante bajantes o alivios y en las cunetas de un separador central las aguas también son conducidas a la caja colectora de una alcantarilla. Las cunetas se deben localizar esencialmente en todos los cortes, en aquellos terraplenes susceptibles a la erosión y en toda margen interna de un separador que reciba las aguas lluvias de las calzadas. 7.3.1.1 Caudal de diseño para cunetas Por lo general el área aferente a las cunetas es inferior a una hectárea, por lo tanto para la obtención de los caudales de diseño se empleó el método racional. El área aferente a la cuneta incluye la calzada o media calzada de la vía y la proyección horizontal del talud de corte. El coeficiente de escorrentía corresponde al ponderado de los diferentes tipos de área aportante, en función del suelo, de la cobertura y de la pendiente. Por último, la intensidad es calculada a partir de las curvas IDF del proyecto, para un periodo de retorno seleccionado y un tiempo de concentración mínimo (15 minutos). Las secciones más recomendadas son las parabólicas y las triangulares debido al papel fundamental de seguridad vial (véase Figura 7.2) Página 49 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 7.2 Secciones cunetas típicas Fuente: (INVIAS, 2009) 7.3.1.2 Funcionamiento Hidráulico Consiste en verificar que la capacidad hidráulica de la estructura, calculada con la ecuación de Manning, sea superior al caudal de diseño. Q 2 1 1 A R 3S 2 n Ecuación 7.5 Donde: Q n A R S : : : : : Caudal de diseño, en m³/s. Coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional. Área mojada, en m². Radio hidráulico, en metros. Pendiente, en m/m. De la ecuación anterior, es posible obtener la lámina de agua y la velocidad en la sección para el caudal de diseño. La lámina de agua debe ser inferior o igual a la profundidad de la cuneta y la Página 50 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO velocidad debe ser, a su vez, menor que la máxima admisible para el material de la cuneta, pero mayor que la velocidad que favorezca la sedimentación y el crecimiento vegetal. La velocidad máxima del flujo depende del tipo del revestimiento del canal o de la cuneta, para lo cual se adoptaron las recomendaciones sobre velocidades máximas (Chow, 2004). Para el drenaje de la vía, fue necesario diseñar obras hidráulicas complementarias como lo son las cunetas. La cuneta típica se detalla en el esquema “Zanja de Coronación y Cuneta Típica”. De acuerdo con los precipitaciones totales en la zona y siguiendo la metodología presentada anteriormente, se determinaron las dimensiones de la cuenta a utilizar para la zona de estudio (Tabla 7.3) Figura 7.3 Sección cuneta típica Donde: Tabla 7.3. Dimensiones de la cuneta 7.3.2 TIPO DE CUNETA h L1 L2 LT TIPO 2 0,19 0,28 0,93 1,20 Zanjas de coronación Las zanjas de coronación son zanjas interceptoras de la escorrentía en la parte alta del talud de corte o en proximidades de la base del terraplén, respectivamente. Las zanjas de coronación son utilizadas para interceptar las aguas lluvias, evitando su paso por el talud. Teniendo en cuenta el diseño geométrico del corredor se determina la necesidad de incluir zanjas de coronación para aquellos taludes cuya altura supera 6,0 m de altura, aprovechando el terraceo propuesto en el diseño geotécnico. Dichas zanjas de coronación se localizarán en la parte alta del Página 51 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO talud o en las bermas del terraceo antes mencionado, recostado contra la pata del talud como se presenta en la Figura 7.4. Figura 7.4 Localización típica zanja de coronación Fuente: (INVIAS, 2009) Para el corredor en estudio se realizó el diseño de una zanja de coronación típica suponiendo una longitud de 150 m, pendiente de 0,30 %, y con área de drenaje aferente de 200 m de ancho. El dimensionamiento se realizó suponiendo flujo uniforme para lo cual se empleó la expresión de Manning. A continuación, en la Tabla 7.4, se presenta el análisis hidrológico para la estimación del caudal de diseño de la zanja de coronación típica. Tabla 7.4. Análisis hidrológico zanja de coronación típica Longitud Cuneta 150,00 m Ancho del Impluvium 200,00 m 30.000,0 m² Área de Drenaje 3,0 ha 0,030 km² 0,0116 mil² Tc 15,0 min TR Prm. del valor mx. Anual Región 10 años 38,9 mm Intensidad 74,0 mm/hr Coeficiente de escorrentía 0,4 Caudal de Diseño 224,4 l/s Andina Con base en el caudal de diseño presentado en la Tabla 7.4, se determinaron las dimensiones de dicha zanja, como se presenta en la Tabla 7.5. Página 52 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tabla 7.5. Análisis hidráulico zanja de coronación típica z1 0 z2 0 n 0,015 s (%) 0,30 % Base 0,50 m Profundidad normal 0,42 m Profundidad zanja 0,50 m Adicionalmente, en la Figura 7.5 se presenta la relación entre el nivel de agua y el caudal para una zanja de coronación rectangular cuyas dimensiones se presentan en la Tabla 7.5. Figura 7.5 Relación profundidad – caudal (zanja de coronación típica) Página 53 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 7.6 Sección hidráulica típica zanja de coronación En la Figura 7.6 se presenta la sección hidráulica típica de la zanja de coronación, cuyas dimensiones para este corredor se presentan en la Tabla 7.5. 7.3.3 Drenaje Subsuperficial Las obras de drenaje subsuperficial se utilizan para evacuar las aguas provenientes de la escorrentía subsuperficial hacia las obras de drenaje principal o a los cauces de agua, con el fin de proteger los cimientos de las vías. Algunas de las obras más comunes se presentan a continuación. La utilidad de los subdrenes es la de interceptar y eliminar las aguas hacia las obras de drenaje principal o cauces, adicionalmente, mantienen el nivel freático por debajo del pavimento, para protección de éste último. Los subdrenes son zanjas de profundidad variable provistas de un tubo perforado en el fondo y rellenas con material filtrante. El agua es conducida hacia el tubo donde, a través de las perforaciones ésta es evacuada hacia donde no pueda ocasionar daños. A continuación se presenta un esquema de la estructura antes descrita: Figura 7.7 Esquema estructura de drenaje subsuperficial típica Los drenes pueden ocupar uno o ambos lados de la vía e inclusive, poseer dos o más zanjas de acuerdo con el volumen de agua a evacuar. Se propone una estructura de drenaje subsuperficial localizada debajo de la cuneta en todo el sector en corte de la vía como se muestra en la Figura 7.7. El diseño de dicha estructura se presenta a continuación: Página 54 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tabla 7.6. Parámetros de entrada dimensionamiento geodrén vial Precipitación máxima horaria de frecuencia anual Ir : 122.65 mm/h Ancho de la semibanca de la vía B : 4.65 m Longitud de tramo del drenaje L : 150.0 m Factor de infiltración Fi : 0.4 Factor de retención de la base Fr : 0,25 Permeabilidad del suelo K : 0.0014 cm/s Tipo del Geodrén : Vial Altura 1.0 m Diámetro 100.0 mm Pendiente de Tubería (%) 1.0 Factor de reducción por colmatación y taponamiento (Geotextil) FRscb : 2.0 Factor de reducción por creep o fluencia (Geotextil) FRcr : 2.0 Factor de reducción por intrusión (Geotextil) FRin : 1.2 Factor de reducción por colmatación química (Geotextil) FRcc : 1.2 Factor de reducción por colmatación biológica (Geotextil) FRbc : 1.2 Factor de reducción por creep o fluencia (Geodrén) FRcr : 1.2 Factor de reducción por intrusión (Geodrén) FRin : 1.3 Factor de reducción por colmatación química (Geodrén) FRcc : 1.1 Factor de reducción por colmatación biológica (Geodrén) FRbc : 1.0 Arenas, arenas gravosas, arenas limosas y arenas arcillosas (menos de 50% pasa tamiz #200) Tipo de suelo: Tabla 7.7. Parámetros calculados y resultados del geodrén vial TAA < 0,3 Observación: Criterio de permeabilidad Cumple Diámetro (mm) : 100.0 Caudal que es capaz de transportar la tubería [m3/s] : 4,3545E‐3 Observación : Cumple Permitividad admisible [1/s] : 3,47E‐1 Permitividad requerida [1/s] : 1,58E‐5 Factor de seguridad global > 3.0 : Cumple Tasa de flujo admisible 2,94E‐4 Tasa de flujo requerida 1,58E‐5 Factor de seguridad global 18,578 Observación : Cumple Cumple Página 55 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO De acuerdo con los análisis presentados en la Tabla 7.6 y Tabla 7.7 se propone un Geodrén Vial o similar, con una sección de material filtrante de 1,00 m de altura y 0,30 m de ancho y una tubería perforada de 100 mm de diámetro, el cual deberá instalarse debajo de la cuneta en todas las zonas de corte. 7.3.4 Estructuras de disipación Con el fin de disipar parte de la energía cinética del flujo proveniente de zanjas de coronación o de entregas a taludes con pendientes pronunciadas, y para evitar el riesgo de socavación que amenacen la integridad de las obras proyectadas, se propone implementar estructuras de disipación del tipo rápidas lisas con disipación a lo largo del canal como por ejemplo Canales con Pantalla Deflectora (CPD) o Canales de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC), dependiendo de la pendiente sobre la cual se implantarán dichas estructuras. 7.3.4.1 Canal con pantalla deflectora (CPD) Es un canal de sección rectangular y fondo liso que incluye pantallas deflectoras alternas colocadas a 45° con el eje del canal, las cuales cumplen el papel de elementos disipadores de energía, y pestañas longitudinales sobre los bordes de ambas paredes del canal que impiden que la estructura rebose (véase Figura 7.8). El canal con pantallas deflectoras es aplicable para taludes con pendientes entre el 10% y el 50% (UNAL, 2010). Figura 7.8 Esquema canal con pantalla deflectora (CPD) típico Fuente: UNAL, 2010 Página 56 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO En el presente estudio se realizó la tipificación de los canales con pantalla deflectora con base en el ancho de las obras de drenaje aplicadas, y a partir de este ancho se estimó el caudal máximo aplicable en cada tipo de estructura de disipación de acuerdo con la Tabla 7.8. Tabla 7.8. Tipificación Canal con Pantalla Deflectora (CPD) Tipo de obra de drenaje DESCRIPCIÓN Altura (m) Tipo CPD Base (m) Base CPD (m) QMax CPD (m3/s) Alcantarilla (φ= 0.90 m) 0.90 1.0 1.3 Alcantarilla (φ= 1.0 m) 1.0 1.0 1.3 Alcantarilla (φ= 1.2 m) 1.2 1.5 3.5 Alcantarillas (φ= 1.5 m) 1.5 1.5 3.5 Box Culvert (1.5 x 1.5) 1.5 1.5 1.5 3.5 Box Culvert (2.0 x 2.0) 2.0 2.0 2.0 7.3 Box Culvert (2.5 x 2.5) 2.5 2.5 2.5 12.7 Box Culvert (3.0 x 3.0) 3.0 3.0 3.0 20.0 Box Culvert (3.5 x 3.5) 3.5 3.5 3.5 29.4 Teniendo en cuenta que la zanja de coronación típica drena un caudal de 224 l/s, se propone que la estructura de disipación que drenará el caudal hasta de seis zanjas típicas sea una estructura tipo canal con pantalla deflectora de base 1,0 m; siempre y cuando la pendiente del talud se encuentre entre el 10% y el 50%. 7.3.4.2 Canal de rápidas con tapa y columpio (CRTC) Es un canal aplicable al caso de conducciones a lo largo de pendientes altas o muy altas, entre el 50% y el 173% (UNAL, 2010), conformado por una serie de rápidas lisas de sección rectangular, que se interrumpen en las terrazas de un talud tratado o cada cierto tramo, de tal forma que en la transición de una rápida a otra se tiene un columpio que deflecta el flujo y lo proyecta contra una tapa existente en el inicio de la siguiente rápida aguas abajo. El sistema columpio – tapa es complementado con un deflector que obliga al flujo a volver al canal (véase Figura 7.9). Página 57 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 7.9 Esquema canal de rápidas con tapa y columpio (CRTC) típico Fuente: UNAL, 2010 Al igual que la tipificación de los canales con pantalla deflectora, se realizó la tipificación de los canales de rápidas con tapa y columpio, con base en el ancho de las obras de drenaje aplicadas, y a partir de este ancho se estimó el caudal máximo aplicable en cada tipo de estructura de disipación de acuerdo con la Tabla 7.9 Tabla 7.9. Tipificación Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) Tipo de obra de drenaje DESCRIPCIÓN Altura (m) Tipo CRTC Base (m) Base CRTC (m) QMax CRTC (m3/s) Alcantarilla (φ= 0.90 m) 0.90 1.0 1.3 Alcantarilla (φ= 1.0 m) 1.0 1.0 1.3 Alcantarilla (φ= 1.2 m) 1.2 1.5 3.5 Alcantarillas (φ= 1.5 m) 1.5 1.5 3.5 Box Culvert (1.5 x 1.5) 1.5 1.5 3.5 1.5 Página 58 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tipo de obra de drenaje Tipo CRTC Altura (m) Base (m) Base CRTC (m) QMax CRTC (m3/s) Box Culvert (2.0 x 2.0) 2.0 2.0 2.0 7.3 Box Culvert (2.5 x 2.5) 2.5 2.5 2.5 12.7 Box Culvert (3.0 x 3.0) 3.0 3.0 3.0 20.0 Box Culvert (3.5 x 3.5) 3.5 3.5 3.5 29.4 DESCRIPCIÓN Teniendo en cuenta que la zanja de coronación típica drena un caudal de 224 l/s, se propone que la estructura de disipación que drenará el caudal hasta de seis zanjas típicas sea una estructura tipo canal con pantalla deflectora de base 1,0 m; siempre y cuando la pendiente del talud se encuentre entre el 50% y el 173%. 7.3.5 Sitios Críticos Con base en el análisis interdisciplinario realizado en el tramo Tunja ‐ Sogamoso, se concluye que éste no presenta sitios críticos y por lo tanto este numeral y el Anexo 7.2 no aplican para el presente estudio. Página 59 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 8 ANÁLISIS DE SOCAVACIÓN Los estudios de socavación se realizaron de acuerdo con lo establecido en las publicaciones de Maza Álvarez, 1970 y de Monforte Ocampo, 1986. Cuando ocurren las crecientes en un río, se producen alteraciones en la corriente, en el fondo y en las bancas del cauce. Estos cambios que sufre la forma del cauce se deben a la mayor capacidad de arrastre de la corriente, la cual al transportar un mayor número de partículas en suspensión y tomarlas del fondo, hace que este descienda. La socavación local es el fenómeno que se presenta al pie de las estructuras interpuestas a las corrientes, las cuales inducen la formación de vórtices que, a su vez, producen la degradación o remoción del material que conforma el cauce aluvial localizado en la base del obstáculo y que para efectos prácticos se representan por las pilas y por los estribos de los puentes (INVIAS, 2009). Las corrientes a través o en vecindad de las estructuras hidráulicas ocurren frecuentemente en forma de chorros de agua turbulentos, donde las velocidades son suficientemente altas para que ellos puedan producir fosas de socavación de dimensiones notables que pueden conducir al colapso de una estructura (INVIAS, 2009). 8.1 JUSTIFICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS EMPLEADAS La metodología utilizada para el cálculo de la socavación general, corresponde a la propuesta por Maza A.J.A, 1970. En esta metodología, el criterio de cálculo fue propuesto por Lischtvan ‐ Lebediev y para su aplicación es necesario hacer distinción en las características de cohesividad y homogeneidad de los suelos presentes en el lecho. Existen varias metodologías para el cálculo de socavaciones locales entre las cuales de destacan: Para pilas. Método de la Universidad Estatal de Colorado, CSU (1975); Método de Laursen y Toch (1956); y el Método de Maza‐Sánchez (1968). Para estribos. Método de Froehlich, Método HIRE y el método de Artamanov. Para el presente informe se decidió tomar para el cálculo de pilas el método de Maza‐ Sánchez y para el cálculo de los estribos el método de Artamanov. 8.2 SOCAVACIÓN GENERAL La profundidad máxima de socavación esperada al paso de la creciente está dada por las siguientes expresiones: Para suelos granulares: 1 H o 5 / 3 (1 Z ) Hs 0.28 0.68d m Ecuación 8.1 Para suelos cohesivos: Página 60 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO H o Hs 1.18 0.60 s 5/3 1 (1 X ) Ecuación 8.2 A continuación se describen los parámetros que se tuvieron en cuenta para el cálculo de la socavación general: Coeficiente de distribución de gasto ( ): este coeficiente se calcula con la siguiente relación: Qd Ho 5/3 Be Ecuación 8.3 Caudal de diseño ( Qd ): Es el caudal de diseño para el período de retorno considerado (m³/s). Profundidad ( Ho): Es la profundidad de la sección transversal para el caudal de diseño considerado (m). Ancho efectivo ( Be ): Es el ancho de la sección para el nivel del caudal de diseño (m). Es importante aclarar que si la corriente incide paralelamente al eje de las pilas, esa longitud será la del tramo considerado menos el espesor de las pilas que están dentro de él. Cuando existe un ángulo de esviaje de la corriente, el ancho efectivo se puede calcular gráficamente trazando líneas que indican la dirección de la corriente, tangentes a las pilas, y midiendo los claros que resultan. Profundidad ( Hs ): Es la altura entre la superficie del agua (al pasar la creciente) y el fondo erosivo (m). Diámetro medio ( dm ): Es el diámetro de las partículas de fondo (mm), el cual se calcula mediante la expresión: n d m .001 di pi Ecuación 8.4 i 1 Diámetro ( di ): Es el diámetro medio de una fracción de la curva granulométrica de la muestra total que se analiza, en mm. pi ): Es el porcentaje del peso de esa misma porción, comparada Porcentaje de muestra ( con el peso total de la muestra. Coeficiente : Este coeficiente depende del período de retorno, y se obtiene de la Tabla 8.1 Página 61 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Tabla 8.1. Coeficiente 0,77 0,82 0,86 0,90 0,94 0,97 1,00 1,03 1,05 1,07 TR (años) 1 2 5 10 20 50 100 300 500 1000 Coeficiente Z : Este coeficiente es usado solamente para suelos granulares, y depende únicamente del diámetro medio del material granular. Se calcula mediante la siguiente expresión: Z 0 , 394557 0 , 04136 log( d m ) 0 , 00891 log 0 , 58073 s 0 ,136275 (d m ) Ecuación 8.5 2 s Ecuación 8.6 Peso específico ( s ): Es el peso específico del estrato de suelo que se analiza, en ton/m³. Coeficiente de contracción ( ): Coeficiente que depende de la distancia entre pilas y la velocidad media de la sección. Se calcula con base a la siguiente expresión: 1 0,387 2 Coeficiente X : Este coeficiente sólo es usado para los suelos cohesivos, y depende únicamente del valor del peso específico en ton/m³ del estrato. Se calcula haciendo uso de la siguiente expresión: X 0 , 892619 Probabilidad (%) 100,0 50,0 20,0 10,0 5,0 2,0 1,0 0,3 0,2 0,1 v L Ecuación 8.7 Velocidad media ( v ): Es la velocidad media de la sección transversal para el caudal de diseño. Longitud entre claros ( L ): Es la longitud entre dos pilas Profundidad de socavación ( ds ) : Se calcula mediante la expresión: ds (Hs Ho ) Ecuación 8.8 Para el cálculo de la profundidad de socavación se utilizó el Método Gráfico. En este método se considera un punto Pi cualquiera a una profundidad inicial Ho, cuyo estado geológico se conoce. Una vez que se conocen las profundidades de las fronteras entre los distintos estratos, se encuentra la velocidad de degradación con la ayuda de las siguientes ecuaciones: Página 62 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Para suelos granulares: V e 0 , 68 d m0 , 23 H Z S Ecuación 8.9 V e 0 , 60 X S Ecuación 8.10 Para suelos cohesivos: 1 ,18 S H Posteriormente, para distintas profundidades escogidas arbitrariamente, se determina el valor de la velocidad de arrastre con la siguiente ecuación: H o5 / 3 Vr H S Ecuación 8.11 Terminadas las operaciones anteriores, se llevan esos valore a un sistema de ejes coordenados de velocidades contra profundidades Hs, y se dibujan las curvas para Ve y Vr. El punto de intersección de estas curvas indica la profundidad de equilibrio de la erosión y la velocidad media a la que se obtiene. En la Figura 8.1 se muestra esquemáticamente la profundidad de socavación para un punto P. Figura 8.1 Cálculo de la socavación utilizando el método gráfico 8.3 SOCAVACIÓN LOCAL La estimación de la socavación en pilas se realizó con base en la metodología planteada por Maza y Sánchez (1968), (INVIAS, 2009). Este método toma como base la geometría de la pila y la orientación del flujo con respecto a ella, con esto se puede determinar la socavación local como una función de la relación entre el ancho de la pila, la profundidad hidráulica y el número de Froude. En la Figura 8.2 hasta la Figura 8.4, se presentan los diagramas utilizados para calcular la profundidad de socavación dependiente de la Página 63 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO geometría de la pila. En dichos diagramas los parámetros empleados presentan la siguiente denominación: d : b1 : : : : Fr V La profundidad de la corriente frente de la pila, en una zona no afectada por la socavación local, pero obtenida después de calcular la socavación general (m). Proyección de la pila en un plano perpendicular a la corriente, (m). Ángulo entre la dirección del flujo y el eje longitudinal de la pila. Número de Froude. Velocidad media de la corriente después de que el cauce ha sido erosionado por todas las formas de erosión que puedan afectar la sección, a excepción de la socavación local (m/s). Socavación local medida desde el fondo no afectado por esta erosión (m). Socavación local medida desde la superficie libre del agua, en metros (m). Coeficiente por el que hay que afectar el número de Froude, cuando 0 º y : : : S ST fc F r 0 . 25 A continuación se presenta el proceso de cálculo de la socavación: Número de Froude Fr V gd Ecuación 8.12 Con: V Qp Ecuación 8.13 Ap Donde Qp : Caudal de la creciente de diseño, en m³/s. Ap : Área total de la sección, en m². Factor de corrección, fc , Dependiendo del ángulo de orientación, , de las pilas con respecto a la corriente y si el número de Froude es igual o mayor a 0,25, debe ajustarse el valor mediante el factor de corrección de acuerdo con la Tabla 8.2. Tabla 8.2. Factor de corrección del Número de Froude según el ángulo de formación de la corriente con las pilas fc 0.00 0.15 0.30 0.45 1.00 1.25 1.30 1.45 Luego el número de Froude ajustado queda determinado por la siguiente ecuación Página 64 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Fr f c V gd Ecuación 8.14 Cálculo de la relación d Selección del diagrama: dependiendo de la geometría de la pila se selecciona entre la Figura 8.2 y la Figura 8.4. b1 Figura 8.2 Socavación al pie de pilas rectangulares Fuente: (INVIAS, 2009) Página 65 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 8.3 Socavación al pie de pila circulares Fuente: (INVIAS, 2009) Página 66 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Figura 8.4 Socavación al pie de pilas con extremos redondeados Fuente: (INVIAS, 2009) Página 67 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Socavación en estribos: Método de Artamanov citado INVIAS 2009 Los factores relevantes en los cuales se desarrolla y se aplica el método son los siguientes La relación entre el caudal teórico interceptado por el estribo (Q1 o Q2) y el caudal total (Q). El talud de las caras del estribo (R : 1) El ángulo formado por la dirección de la corriente y el eje longitudinal de la obra. La profundidad de la socavación se expresa a partir de la siguiente ecuación Ds P Pq PR H0 Ecuación 8.15 Donde Ds : P : Pq : Profundidad de socavaciones total al pie del estribo o espigón medida desde la superficie libre del agua, en metros. Coeficiente que dependiendo del ángulo , que forma el eje de la obra con la dirección de la corriente como se muestra en la Tabla 8.3. Coeficiente que depende de la relación Q1 Q , siendo Q 1 el caudal que teóricamente pasaría por el lugar ocupado por el estribo si éste no existiera, y Q el caudal que escurre por el río (véase Tabla 8.4). El término Pq puede calcularse como: Q Q Pq 1 .4675 6 .55238 1 4 .0238 1 Q Qd PR H0 : : 2 Ecuación 8.16 Coeficiente que depende del talud del estribo (véase Tabla 8.5) Profundidad de la lámina de agua junto al estribo antes de la socavación, en metros. Tabla 8.3 Coeficiente de corrección Pα, en función del ángulo α 20 60 90 120 150 P 0.84 0.94 1.00 1.07 1.19 Tabla 8.4. Coeficiente de corrección Pq, en función de la relación de caudales Q1 Q 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Pq 2.00 2.65 3.22 3.45 3.67 3.87 4.06 4.20 Tabla 8.5. Coeficiente de corrección PR, en función del talud Talud R 0 0.5 1 1.5 2 3 PR 1.00 0.91 0.85 0.83 0.61 0.50 Página 68 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO A continuación, en la Figura 8.5 se presenta el esquema de interceptación del flujo por estribos dentro del canal de acuerdo con la metodología de Artamanov. Figura 8.5 Método de Artamanov. Interceptación de flujo por los estribos dentro del canal Finalmente, los esquemas de socavación en los sitios críticos se presentan en el Anexo 7.1, en donde se indica el nivel de agua máximo asociado al caudal de diseño; igualmente se indica el nivel máximo de socavación de acuerdo con las metodologías aquí presentadas. Con base en las recomendaciones geotécnicas determinadas a partir de información secundaria teniendo en cuenta los resultados presentados en el Informe “Estudio Geológico y Geotécnico – Estudio de Pavimentos”. Vol C; en la Tabla 8.6 se presenta la caracterización geotécnica del suelo en cada sitio de ponteadero al cual se le realizó el estimativo de socavación presentado en el Anexo 7.1: Tabla 8.6. Caracterización geotécnica en sitios de ponteadero NOMBRE PR TIPO DMedio (mm) Peso específico seco (T/m³) Socavación máx (m) NP12 2+607 Puente Proyectado ‐ 1.81 0.69 NP14 4+073 Puente Proyectado ‐ 1.64 1.67 NP18 1+335 Puente Proyectado ‐ 1.80 0.01 NP22 2+991 Puente Proyectado ‐ 1.77 0.75 NP26 7+610 Puente Proyectado ‐ 1.82 0.79 NP28 16+910 Puente Proyectado ‐ 1.47 0.21 NP30 17+378 Puente Proyectado ‐ 1.47 1.20 Como se observa en la Tabla 8.6, en los sitios de ponteadero analizados se supuso que se presenta un solo estrato cohesivo para los análisis de socavación. Se recomienda que para una fase posterior de diseño, se elabore el perfil estratigráfico en cada sitio de ponteadero y a su vez se caracterice cada uno de los estratos encontrados in situ. Página 69 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 9 PROPUESTAS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 9.1 Objetivos del Mantenimiento del Drenaje Vial 9.2 Preservar las inversiones efectuadas en la construcción, el mejoramiento, la rehabilitación y el mantenimiento periódico de las vías. Garantizar la transitabilidad permanentemente para que los usuarios puedan circular diariamente por las vías; es decir, que las interrupciones para su movilización sean mínimas durante el año. Proporcionar comodidad, seguridad y economía en la circulación de los vehículos que utilizan las vías. Hacer un uso eficiente y eficaz de los limitados recursos destinados al mantenimiento vial. Mantenimiento De Obras De Drenaje El sistema de drenajes de una vía comprende todas las construcciones cuyo objeto es la conducción controlada de las aguas. Los objetivos principales de los sistemas de drenajes viales son: Permitir el escurrimiento rápido de la lluvia hacia los sitios de descarga. Permitir el paso, a través de la vía, de las aguas superficiales provenientes de precipitaciones o de corrientes naturales. Controlar y evitar la acumulación de aguas freáticas que impliquen daños para la vía. En general, prevenir el deterioro de la vía y sus componentes como resultado de la circulación de aguas superficiales y subterráneas. Las obras de drenaje y subdrenaje, configuran un sistema que se destina a recibir y encauzar el agua para sacarla, en forma eficiente y rápida, fuera del camino. De no hacerlo, la vía puede deteriorarse prematuramente, pues el agua lluvia cuando fluye por la plataforma arrastra el material de afirmado, puede ocasionar inestabilidad de los taludes; socavar alcantarillas, puentes, pontones, badenes y muros; erosionar los terraplenes y el terreno natural y, además, causar numerosos daños adicionales. La limpieza y el buen estado de las obras de drenaje, son condiciones esenciales para la preservación y el funcionamiento eficiente de los caminos. Por esta razón, el mantenimiento periódico debe enfocarse a asegurar que todos los elementos del sistema de drenaje mantengan las características físicas para que el agua superficial y el agua subterránea, puedan fluir libre, eficiente y rápidamente. En general, el mantenimiento, es el conjunto de actividades que se realizan para conservar en buen estado las condiciones físicas de los diferentes elementos que constituyen el sistema de drenaje de una vía y, de esta manera, garantizar que el transporte vehicular sea cómodo, seguro y económico. En la práctica lo que se busca es preservar el camino y evitar su deterioro físico prematuro. Procediendo de la manera anterior, se tendrá que después de construida, rehabilitada o reconstruida una vía y que, por lo tanto, se encuentra en buenas condiciones, ella y sus obras de drenaje debe ser atendida permanentemente mediante el mantenimiento rutinario y cuando se Página 70 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO hayan cambiado sus condiciones de bueno a un estado regular, realizar entonces el manteniendo periódico para volver a unas condiciones similares a las iniciales. Las actividades de mantenimiento se clasifican, usualmente, por la frecuencia como se repiten: rutinarias y periódicas. En la realidad todas son periódicas, pues se repiten cada cierto tiempo en un mismo elemento. Sin embargo, en la práctica, las rutinarias se refieren a las actividades repetitivas que se efectúan continuamente en diferentes tramos del camino y las periódicas son aquellas actividades que se repiten en lapsos más prolongados, de más de un año. Bajo estas consideraciones, se definen el mantenimiento rutinario y el mantenimiento periódico, de la siguiente manera: Mantenimiento Rutinario, es el conjunto de actividades que se ejecutan permanentemente en las obras de drenaje, a lo largo del camino, y se realizan diariamente en los diferentes tramos de la vía. Tiene como finalidad principal la preservación de todos los elementos de drenaje con la mínima cantidad de alteraciones o de daños y, en lo posible, conservando las condiciones que tenía después de la construcción o la rehabilitación. Debe ser de carácter preventivo y se incluyen en este mantenimiento, las actividades de limpieza de las obras de drenaje, el corte de la vegetación y las reparaciones de los defectos puntuales, entre otras. Mantenimiento Periódico, es el conjunto de actividades que se ejecutan en períodos, en general, de más de un año y que tienen el propósito de evitar la aparición o el agravamiento de defectos mayores, de preservar las características superficiales, de conservar la integridad estructural de las obras de drenaje y de corregir algunos defectos puntuales mayores. Para el cumplimiento de los objetivos trazados se deberá considerar los siguientes aspectos: Evitar que las obras de drenaje estén obstruidas por materias sólidas o por arbustos y hierbas en más de un 20% de su sección transversal o una tercera parte (1/3) de su luz libre. Mantener una revisión constante de las juntas, reposición o cambio de apoyos, reparación de socavaciones y elementos de seguridad. Realizar la reposición o reparación de toda obra de drenaje que se encuentre en mal estado. La limpieza de las obras de drenaje se debe hacer en toda su longitud, y no solo en sus extremos. En general, se debe impedir la existencia de aguas no controladas en la vía, para evitar la erosión de taludes, derrumbes, socavación de estructuras y rotura de pavimentos. Realizar los trabajos de construcción o reparación de las obras de drenaje en conformidad a la normativa vigente. El sistema de drenaje, está constituido por los siguientes elementos: Drenaje superficial: Bombeo o pendiente transversal de la plataforma Cunetas Zanjas de coronación Alcantarillas Canales Box‐culvert. Pontones y Puentes Página 71 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Subdrenaje: Filtros longitudinales. Otros: drenes de penetración transversal, capas drenantes, drenes de piedra, etc. Bombeo: El bombeo es la pendiente transversal que se da a la plataforma en la capa de afirmado, para facilitar que el agua de lluvia que cae directamente sobre ella, escurra eficientemente hacia las cunetas, los aliviaderos o al terreno natural. En el mantenimiento periódico mediante las actividades de perfilado del camino, reposición de afirmado y reconformación de la plataforma existente, se pretende mantener esta pendiente transversal. Cunetas: Las cunetas son las zanjas laterales, generalmente triangulares, que se construyen paralelas al eje de la vía, entre el borde de la plataforma y el pie del talud. La función de esta obra de drenaje es la de recibir y evacuar eficientemente el agua de lluvia superficial proveniente de la superficie del afirmado del camino y de los taludes. En el mantenimiento periódico se efectúa como actividad puntual la reparación de algunas cunetas. Zanjas de coronación: Las zanjas de coronación son las excavaciones que se hacen en el terreno natural, en la parte alta de los taludes en corte, con el fin de interceptar y encauzar el agua lluvia superficial que escurre ladera abajo desde mayores alturas, con la función de evitar la erosión de los taludes, la colmatación de las cunetas y la afectación de la plataforma, por el agua y el material de arrastre. En el mantenimiento periódico del camino se ejecuta como actividad puntual la reparación de algunas zanjas de coronación. Alcantarillas: Las alcantarillas son elementos del sistema de drenaje constituidos por ductos que permiten y facilitan el paso del agua, proveniente de cauces naturales, canales o cunetas, de un lado a otro del camino. Generalmente son estructuras construidas en piedra, en concreto o metálicas. Se construyen en forma de tubo y en cajón. En el mantenimiento periódico se efectúa como actividad puntual la reparación de alcantarillas. Canales: Los canales son zanjas generalmente rectangulares de dimensiones variables, algunas en terreno natural y otras revestidas en piedra o en concreto, construidas para recibir y encauzar corrientes de agua provenientes de cauces naturales o de otras obras de drenaje. Pueden estar localizados paralelos a la vía o en zonas donde se concentran las aguas. En el mantenimiento periódico podría efectuarse la reparación de aquellos canales que están desprotegidos superficialmente y, por supuesto, que se ha identificado que lo requieren. Otras obras de drenaje superficial: Para el drenaje superficial, además, se utilizan otros elementos como son: los sardineles que son pequeñas estructuras que se colocan en el borde exterior de la plataforma; también, los aliviaderos, que son encauzamientos, generalmente de mampostería de piedra, que bajan transversalmente por los taludes de los terraplenes y que reciben el agua de bordillos o cunetas para llevarla fuera de la vía. Otra obra, denominada disipador de energía, se utiliza cuando es necesario encauzar agua Página 72 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO de lluvia superficial en grandes pendientes y recorridos largos. Un buen disipador de energía es también la vegetación que cubre taludes de cortes y terraplenes y, se constituye en una efectiva protección contra la acción erosiva del agua o del viento. En el mantenimiento periódico se efectúan reparaciones puntuales de los elementos anteriores. Filtros: Los filtros son obras de subdrenaje constituidas por zanjas con material drenante cuya principal función es facilitar la evacuación del agua desde el interior de la plataforma de la vía o desde la masa de suelo que conforma los taludes o el terreno natural. En el mantenimiento periódico podría efectuarse, puntualmente, la reparación de estos elementos. Pontones: Los pontones son estructuras de longitud menor a 10 metros, que se utilizan para pasar una quebrada o una depresión del terreno. Se construyen principalmente de: concreto, acero estructural, piedra o madera. Su costo es relativamente alto y, al igual que los puentes, tienen un importante valor como patrimonio vial y como elemento clave para la operación de la vía. Los pontones son elementos importantes y valiosos que deben cuidarse permanentemente mediante un riguroso mantenimiento, cuyo objetivo es lograr que todos estén en buenas condiciones estructurales y siempre sean seguros para el tráfico. Las actividades de mantenimiento periódico que se deben ejecutar son similares a las correspondientes a los puentes y son las siguientes: o o o Reparaciones de barandas de pontones de concreto. Reparaciones de pontones de madera. La limpieza de los cauces o lechos de quebradas menores, empleando maquinaria y herramientas manuales, para quitar restos de ramas o troncos de madera, basuras, materiales producto de la erosión y otros obstáculos que puedan afectar el paso del agua durante las crecientes y, como consecuencia, producir impactos sobre el pontón y deteriorarlo o destruirlo. Puentes: Los puentes son las estructuras más importantes del camino, de longitud igual o mayor a 10 metros, que se utilizan para pasar un río o una depresión del terreno. Se construyen principalmente de: concreto, acero estructural, piedra o madera. Su costo generalmente es alto en comparación con los demás elementos del camino y, por lo mismo, tienen un gran valor como patrimonio vial y como elemento crítico para la operación del camino. Los puentes, por su importancia y por su valor, son elementos que deben cuidarse permanentemente mediante un riguroso mantenimiento, cuyo objetivo es lograr que todos ellos estén en buenas condiciones estructurales y siempre sean seguros para la circulación vehicular. El mantenimiento de estas estructuras deberá consistir en el uso de técnicas requeridas para la determinación de las condiciones físicas de los elementos que la componen, a través de Página 73 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO inspecciones sistemáticas que proporcionen los datos necesarios para la toma de decisiones en relación a reparaciones, refuerzo o sustitución de las estructuras. Los problemas que se presentan en la conservación y mantenimiento de estas estructuras son numerosos, diferentes y con frecuencia complejos, por lo que es necesario que esta actividad sea realizada por personal con suficiente experiencia y capacidad técnica, ya que será responsable por la minuciosidad de la inspección en el campo y análisis de los resultados, para así tomar las acciones adecuadas encaminadas a mantener la condición de seguridad de la estructura y por ende del usuario. Se debe prestar especial atención en la revisión y diagnóstico del estado de los Puentes, después de la ocurrencia de sismos, crecidas hidrológicas o cualquier evento que pueda afectar la estabilidad de dichas estructuras. Las actividades de mantenimiento periódico a ejecutar, son puntuales y entre ellas están las siguientes: Reparaciones de barandas de puentes de concreto. Reparaciones de puentes de madera. Cambio o reparación de maderamen de puentes metálicos. La limpieza de los cauces o lechos de los ríos o quebradas, empleando maquinaria y herramientas manuales, para quitar restos de ramas o troncos de madera, basuras, materiales producto de la erosión y otros obstáculos que puedan afectar el paso del agua durante las creciente s y, como consecuencia, producir impactos sobre el puente y deteriorarlo o destruirlo. 9.3 Limpieza De Alcantarillas Y Puentes 9.3.1 Limpieza de alcantarillas Consiste en la eliminación de todo tipo de material o residuo que obstruya el libre paso del agua a través de la alcantarilla, permitiendo de este modo el mantenimiento de un buen drenaje y, por consiguiente, la preservación del camino. Igualmente, se deberá efectuar la limpieza y encauzamiento, de los cursos de agua, tanto al ingreso, como a la salida de la misma. El procedimiento a utilizar es el siguiente: Se colocan las señales de seguridad. Se retiran todas las piedras, tierra y ramas que se encuentren en la entrada, salida y dentro de la alcantarilla. Se elimina el material retirado a media ladera, siempre que no afecte terrenos de cultivo, viviendas, canales, acequias, etc. En caso contrario, se elimina el material en un botadero apropiado. Al concluir la limpieza, se verifica que la alcantarilla haya recuperado su sección original. Se retira las señales de seguridad. La frecuencia de limpieza es dos veces por año, luego de los periodos invernarles característicos del régimen climático en la zona del proyecto. Al concluir la limpieza, la sección de la alcantarilla debe quedar totalmente libre de desperdicios. Página 74 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 9.3.2 Limpieza de puentes y pontones Consiste en el mantenimiento de los puentes y pontones y su reparación cuando se observa que están deteriorados. Además del puente o pontón, es necesario hacer limpieza del cauce de la quebrada cuando su nivel está muy alto. Se recomienda una altura mínima de 3,0 m. El procedimiento a utilizar es el siguiente: Se coloca las señales o elementos de seguridad si es necesario restringir el paso de los vehículos por el puente o pontón. Se elimina el material depositado sobre el tablero y apoyos del puente o pontón. Se observa el estado del entablado, de los amarres y pernos. Se reparan los elementos que se encuentran en mal estado: tableros, rollizos, pernos y/o clavos, muros, etc. Se limpia la quebrada de elementos que dificulten el paso del agua. Página 75 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 10 CANTIDADES DE OBRA La estimación de cantidades de obra presentadas en el Anexo 8.1, corresponden a las obras de drenaje que requieren aumento de la capacidad hidráulica evidenciada al realizar el diagnóstico hidráulico del corredor 5 Tramo Tunja – Sogamoso con base en la hidrología tradicional. Las principales suposiciones realizadas para dicho se relacionan con el espesor de los muros de las aletas y cabezales en general; así como los espesores de las estructuras que componen los box culverts. Dichos espesores se supusieron entre 0,20 m y 0,40 m para el caso de concretos estructurales y de 0,05 m para el caso de concretos de limpieza. Teniendo en cuenta que estas obras serán adicionales a las existentes, la longitud supuesta para las mismas fue de 18,00 m. En relación con las cantidades de obra correspondientes a las obras complementarias y cuyo dimensionamiento típico se presenta en el numeral 7.3, se seleccionó un sector característico del tramo en estudio con el fin de definir los sitios en los que se requieren cunetas, subdrenajes, zanjas de coronación, y estructuras de disipación, a partir de esta definición se estimaron las cantidades de obra por kilómetro de tramo analizado con el fin de aplicar las mismas proporciones a los tramos aplicables del mismo corredor. Las especificaciones técnicas, presupuestos de obra y programación, se presentan en el Capítulo VI del documento “Informe de Presupuesto de Construcción y Programación de Obra, Mantenimiento y Operación de La Vía”. Página 76 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 11 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Como se mencionó en el numeral 2, no se identificaron antecedentes hidrológicos ni hidráulicos en el tramo Tunja – Sogamoso, correspondiente a las variantes Tunja, Paipa y Duitama. Adicionalmente, teniendo en cuenta que estas variantes son totalmente nueva, se han proyectado obras de tal manera que no se presenten sitios críticos en este tramo. Los análisis hidráulicos de las obras de drenaje se realizaron a partir de los caudales estimados para dos escenarios hidrológicos, el primero de ellos corresponde a la hidrología tradicional, y el segundo escenario corresponde a la hidrología con variabilidad climática y cambio climático; sin embargo el cálculo de las cantidades de obra se realizó para las obras que requieren aumento de la capacidad hidráulica teniendo en cuenta los análisis con hidrología tradicional. El estimativo de las cantidades de obra de las obras complementarias se realizó a partir de la selección de un sector característico del tramo en estudio en el que se definieron los sitios en los que se requieren cunetas, subdrenajes, zanjas de coronación, y estructuras de disipación, teniendo en cuenta esta definición se estimaron las cantidades de obra por kilómetro de tramo analizado con el fin de aplicar las mismas proporciones a los tramos aplicables del este corredor. Para el adecuado drenaje del tramo Tunja – Sogamoso, correspondiente a las variantes antes mencionadas, y teniendo en cuenta los caudales obtenidos mediante las metodologías de la hidrología convencional se requieren 35 obras de drenaje menor en la variante Tunja, de las cuales 28 son alcantarillas con diámetros entre 0,90 m y 1,50 m, y siete corresponden a box culverts con dimensiones entre 1,50 m x 1,50 m y 2,50 m x 2,50 m; diez obras de drenaje menor en la variante Paipa, correspondientes a siete alcantarillas con diámetros entre 0,90 m y 1,50 m, y tres box culvert de 2,0 m x 2,0 m; y 13 obras de drenaje menor en la variante Duitama, correspondientes a 12 alcantarillas con diámetros entre 0,90 m y 1,50 m, y un box culvert de 2,50 m x 2,50 m. A continuación en la Tabla 11.1 se presenta la estadística de las obras de drenaje dimensionadas a partir de los caudales estimados mediante la hidrología convencional. Tabla 11.1. Estadística obras de drenaje a construir – Hidrología convencional V. TUNJA V. PAIPA V. DUITAMA TOTAL Celda o Tubos Celda o Tubos Celda o Tubos Celda o Tubos DESCRIPCION 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Alcantarillas a Construir (φ= 0.90 m) 17 ‐ ‐ 6 ‐ ‐ 7 ‐ ‐ 30 ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.0 m) ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.2 m) 9 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 9 ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.5 m) 2 ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 5 ‐ ‐ 8 ‐ ‐ Box Culvert (1.5 x 1.5) 2 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 2 ‐ ‐ Box Culvert (2.0 x 2.0) 2 ‐ ‐ 3 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 5 ‐ ‐ Box Culvert (2.5 x 2.5) 3 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 4 ‐ ‐ Box Culvert (3.0 x 3.0) ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 1 ‐ Box Culvert (3.5 x 3.5) ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ TOTAL 35 ‐ ‐ 10 ‐ ‐ 13 1 ‐ 58 1 ‐ Página 77 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO Con base los caudales de diseño obtenidos aplicando las metodologías propuestas para variabilidad climática y cambio climático, se requieren el mismo número de obras de drenaje que el determinado a partir de la hidrología tradicional; sin embargo, su distribución en cuanto a dimensiones varía como se observa en la Tabla 11.2. Tabla 11.2. Estadística obras de drenaje a construir – Hidrología con cambio climático y variabilidad climática V. TUNJA V. PAIPA V. DUITAMA TOTAL Celda o Tubos Celda o Tubos Celda o Tubos Celda o Tubos DESCRIPCION 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Alcantarillas a Construir (φ= 0.90 m) 14 ‐ ‐ 6 ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 21 ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.0 m) 1 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 1 ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.2 m) 4 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 6 ‐ ‐ 10 ‐ ‐ Alcantarillas a Construir (φ= 1.5 m) 6 ‐ ‐ 1 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 7 ‐ ‐ Box Culvert (1.5 x 1.5) ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 5 ‐ ‐ 5 ‐ ‐ Box Culvert (2.0 x 2.0) 5 ‐ ‐ 2 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 7 ‐ ‐ Box Culvert (2.5 x 2.5) 3 ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 5 ‐ ‐ Box Culvert (3.0 x 3.0) ‐ 2 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 2 ‐ Box Culvert (3.5 x 3.5) ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 1 ‐ ‐ 1 TOTAL 35 ‐ ‐ 10 ‐ ‐ 13 ‐ 1 58 ‐ 1 En los sitios de ponteadero analizados se supuso que se presenta un solo estrato cohesivo para los análisis de socavación. Se recomienda que para una fase posterior de diseño, se elabore el perfil estratigráfico en cada sitio de ponteadero y a su vez se caracterice cada uno de los estratos encontrados in situ. Los análisis hidrológicos, hidráulicos y de socavación desarrollados en este informe se desarrollaron a nivel de factibilidad, por lo tanto es responsabilidad de la Entidad Contratante o del Concesionario, desarrollar posterior a la presente etapa los diseños definitivos para construcción de la infraestructura vial de mejoramiento del corredor 5 Tramo Tunja – Sogamoso. Página 78 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO 12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] R. Mayorga, G. Hurtado y H. Benavides, «EVIDENCIAS DE CAMBIO CLIMÁTICO EN COLOMBIA CON BASE EN INFORMACIÓN ESTADÍSTICA,» Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales ‐ IDEAM, Bogotá, 2011. [2] V. T. Chow, Hidrología Aplicada, Bogotá D.C.: McGRAW‐HILL INTERAMERICANA, S.A., 1994. [3] Instituto Nacional de Vías ‐ INVIAS, Manual de Drenaje para Carreteras, Bogotá, 2009. [4] A. Maza Álvarez J, Socavación en cauces naturales, 1970. [5] A. Monforte Ocampo, Socavación en pilas, México: Secretaría de Comunicaciones y Transporte de México, 1986. [6] CEV ‐ Consorcio Estructuración Víal, «Informe de Geología de los corredores viales:1. Bogotá – Bucaramanga 2. Bucaramanga – Pamplona 3. Duitama – Pamplona – Cúcuta 4.,» CEV, Bogotá, 2014. [7] Instituto Naciona de Vías, INVIAS, «ESTUDIOS Y DISEÑOS, GESTION SOCIAL, PREDIAL, AMBIENTAL CONSTRUCCION DEL PROYECTO "DOBLE CALZADA BUCARAMANGA ‐ CUCUTA",» INVIAS, Bogotá, 2009. [8] Insituto Nacional de Vías, INVIAS, «Proceso de supervisión, ejecución y seguimiento a proyectos manual de interventoría pública lista de chequeo informe mensual de interventoría instructivo MSE‐IN‐13,» INVIAS, Bogotá, 2014. [9] CEV ‐ Consorcio Estructuración Víal, «Informe de Inestabilidad de Taludes de los corredores 1. Bogotá – Bucaramanga 2. Bucaramanga – Pamplona 3. Duitama – Pamplona – Cúcuta 4.Norte de Santander 5. Transversal Cusiana – Carare – Boyacá 6. Manizales – Honda – Villeta,» CEV, Bogotá, 2014. [10] CEV ‐Consorcio Estructuración Víal, «Inventario de Puntos Críticos contrato 185 de 2013,» CEV, Bogotá, 2013. Página 79 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXOS ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 1 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 1.1 GEODATABASE ANTECEDENTES (MAGNÉTICO) (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 1.2 RESUMEN DE ANTECEDENTES (MAGNÉTICO) (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 1.3 DOCUMENTOS CONSULTADOS (MAGNÉTICO) (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 2 SERIES HISTÓRICAS PARÁMETROS CLIMATOLÓGICOS ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.1 SERIES HISTÓRICAS PMAX 24 H Y Q MAX ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.2 DELIMITACIÓN DE CUENCAS ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.3 PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.4 ANÁLISIS DE FRECUENCIA ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.5 CURVAS IDF ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.6 POLÍGONOS DE THIESSEN (MAGNÉTICO) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.7 CAUDALES DE DISEÑO ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 3.8 CURVAS REGIONALES DE CAUDALES ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 4 CAMBIO CLIMÁTICO ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 4.1 MAPAS DE INCREMENTO DE PRECIPITACIÓN (MAGNÉTICO) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 4.2 FIGURAS ÍNDICES DE EXTREMOS CLIMÁTICOS (MAGNÉTICO) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 4.3 CAUDALES CON INFLUENCIA DEL CAMBIO CLIMÁTICO ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 5 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 5.1 RESUMEN INVENTARIO DE OBRAS DE DRENAJE (MAGNÉTICO) (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 5.2 DIAGNÓSTICO HIDRÁULICO OBRAS MENORES EXISTENTES (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 5.3 DIAGNÓSTICO HIDRÁULICO OBRAS MAYORES EXISTENTES (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 5.4 SECCIONES BATIMÉTRICAS (MAGNÉTICO) (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 6 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 6.1 DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS MENORES ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 6.2 ESQUEMAS HIDRÁULICOS DE OBRAS MENORES ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 6.3 ANÁLISIS HIDRÁULICO SITIOS DE PONTEADERO PROYECTADOS ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 7 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 7.1 ESQUEMAS DE SOCAVACIÓN ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 7.2 LOCALIZACIÓN SITIOS CRÍTICOS (NO APLICA) ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 8 ESTRUCTURACIÓN INTEGRAL CORREDORES INFORME DE HIDROLOGÍA HIDRÁULICA Y SOCAVACIÓN CORREDOR 5: TUNJA ‐ SOGAMOSO ANEXO 8.1 CANTIDADES DE OBRA ‐ OBRAS MENORES
