CAPÍTULO III: HIDROLOGIA E HIDRAULICA FLUVIAL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE VIAL

3.1.Introducción

Es necesario centrar el tema considerando; las clase de obras de drenaje transversal, así como establecer los conocimientos, metodología y criterios básicos que definan los parámetros fundamentales (Socavación local, general y total), que constituyen uno de los elementos fundamentales que nos permitirán definir los niveles mínimos de desplante, considerando un caudal de diseño para el tiempo de vida útil de la superestructura proyectada.

Está previsto revestir el Canal Internacional de concreto y establecer, debajo del puente, vías laterales (carreteras) al canal, tanto en el lado peruano como en el lado ecuatoriano.

Según los cálculos, se estima una descarga máxima de diseño de 452.00m³/s la cual exige un cauce de sección trapezoidal definida por 30.00m de ancho de fondo, 2.30m de profundidad y taludes de 1.00/1.50 (H/V).

3.2.Clases de Obras de Drenaje

3.3. Selección de la Obra Proyectada

Con el propósito de controlar y/o minimizar los problemas de inundación y erosión sobre áreas de cultivo y las vías proyectadas que discurren paralela al cauce del Canal Internacional Aguas Verdes, en el tramo en estudio, se plantea la necesidad de proyectar un puente de 70.0m de largo, para cruzar el Canal Internacional, siendo necesario el revestimiento del canal a fin de reorientar los flujos de máximas avenidas, hacia el centro del cauce.

De las diferentes estructuras existentes para cumplir el propósito señalado se ha elegido el concreto como material mas idóneo, debido a su mejor comportamiento hidráulico - estructural en comparación de otras técnicas, las ventajas y aplicación directa de este material es evidente dadas sus características.

Permeabilidad coherente que permite que la estructura (canal) conduzca sin ningún problema los caudales de diseño establecidos en el presente, así mismo una rugosidad ideal para poder conducir sin mayores problemas el flujo de agua superficial, anular los procesos erosivos generados por el caudal liquido. manteniendo su estabilidad y eficiencia.

Se integra armónicamente con el paisaje natural.

3.4.Cálculos de Socavación

3.4.1.Socavación General

Como se sabe, la socavación general o normal es el descenso del lecho de un río, que se produce al presentarse una corriente. Al presentarse una avenida, aumenta la velocidad en el cauce; el aumento de la velocidad, trae consigo un aumento de la capacidad de arrastre de la corriente, con lo que se empieza a dregradar el fondo. Al aumentar el gasto aumenta la socavación, incrementándose el área hidráulica del agua, hasta que se llega a la socavación máxima de equilibrio al ocurrir el gasto máximo; al disminuir la avenida se reduce paulatinamente el valor medio de la velocidad de la corriente y por ende la capacidad de arrastre.

La ecuación de equilibrio según la fórmula de Lischtwan - Lebediev para materiales no cohesivos, tal como está constituido el lecho del canal internacional en la zona del proyecto, permite hacer uso de las siguientes expresiones matemáticas para el cálculo de la socavación generalizada:

α=Qd/Hm^1.667.βe.µ.

p=D₈₄^0.03/(0.322+D₈₄^0.03)

Siendo:

H_s=profundidad de erosión

Donde:

Qd	caudal de diseño (m3/s)
Ho	Tirante del flujo (m)
β	Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida de diseño (1.00).
µ	Coefiiciente de contracción del flujo (0.98)
Hm	Profundidad media del flujo
m	Coeficiente relacionado a la mezcla agua - sedimento (1.101).
D84	Diámetro representativo de los materiales no cohesivos del perfil estratigráfico del lecho (mm).
P	Variable relacionado al diámetro representativo de los materiales del lecho (0.710).
ß e	Ancho efectivo del cauce (m)
δ	Peso específico de la mezcla agua - sedimento (kg/m3)

3.4.2. Socavación Local

Cuando se coloca una estructura en la corriente de un río, se produce un cambio en las condiciones hidráulicas de ésta, y por lo tanto, en su capacidad de arrastre sólido; si la capacidad de arrastre supera localmente el aporte del gasto sólido del río, ocurrirá alrededor de la estructura, una socavación local.

Para el caso que nos ocupa, este efecto no es considerado; sin embargo para fines didácticos se plantea el uso del método propuesto por K. F. Artamonov para estimar la magnitud de la socavación local correspondiente.

d_s=0.75 K_a x K_z x K_q x H_o

donde:

K_a= Coeficiente que depende del ángulo (a) formado entre el eje de

la estructura y la dirección del flujo (0.84).

K_a = 0.78 e ^0.027a

K_z= Coeficiente que depende del talud (0.85)

K_q= Coeficiente dependiente de la relación Q₁ entre Q, donde Q₁ es

el gasto teórico que podría pasar a través del área ocupada por la estructura de encauzamiento, si esta no existiera, y Q es el gasto de diseño (2.65).

H_o= Tirante cercano al gavión antes de la (1.57m).

Consecuentemente y según los cálculos respectivos se estima una profundidad de socavación local de 0.66m.

3.5. Criterio Geotécnico de Diseño de Obras de Drenaje

• Los apoyos intermedios de puentes, pontones o batería de alcantarillas debe ser colineal, con la dirección del flujo (en este caso no de tiene la necesidad de proyectar apoyos intermedios).
• En regímenes torrentosos no proyectar apoyos intermedios (este no es el caso).
• En lo posible, los apoyos deben estar fuera del cauce para no reducir la sección hidráulica, la que puede incrementar o magnificar la profundidad de socavación por el incremento de velocidades del flujo.

3.6.Información Básica

La información hidrológica que ha servido de base para cuantificar la descarga máxima de diseño en la zona de emplazamiento del proyecto, ha sido la serie histórica de descargas máximas mensuales del río Zarumilla, registradas en la estación hidrométrica del Canal Internacional que cuenta con 21 años de registros en el período comprendido entre los años 1957 y 1985.

Dicha estación se ubica en las siguientes coordenadas geográficas: 03°28’00” de Latitud Sur y 80°14’00” Longitud Oeste y 40m.s.n.m. de altitud.

La serie histórica de descargas se presentan en el Cuadro N° 01, es de mencionar que esta estación es la mas cercana al área de emplazamiento de la estructura proyectada y en la actualidad se encuentra clausurada, motivo por el cual los registros de datos llegan al año 1985.

FUENTE: SENAMHI.

Estación: Canal InternacionalRío: Zarumilla

Parámetro: Descarga Máxima Mensual (m³/s)

3.7.Análisis de Frecuencias

Los eventos máximos han sido procesados para diferentes períodos de recurrencia haciendo uso de la Distribución Teórica de Gumbel.

Dicha distribución, tiene la siguiente expresión:

donde:

a = parámetro de concentración

u = parámetro de tendencia central.

El tiempo de retorno está relacionado con la probabilidad de no excedencia mediante la relación siguiente:

F (x) = 1-(1/T)

Siendo F (x) la función de distribución acumulada.

Media interanual : 35.240

Desviación estándar : 64.910

3.8.Descarga de Diseño

Según los resultados del análisis precedente, se obtiene una descarga de diseño de 452.000 m³/s con un período de retorno de 100 años compatible con la vida útil estimada del proyecto.

3.9.Dinámica Fluvial del Canal Internacional

El cauce natural del Canal Internacional, como se sabe, limita el Norte del Perú con la república del Ecuador.

Dicho cauce natural que se emplaza de Sur-este a Nor-oeste, se origina tanto del escurrimiento pluvial de las áreas agrícolas ubicadas en su cuenca, como de los provenientes de las inundaciones ocasionadas por los desbordes del curso principal del río Zarumilla, especialmente en épocas de grandes avenidas, que se ubica al sur del Canal Internacional, constituyéndose en un brazo del mencionado río.

Se caracteriza por tener un curso sinuoso por desarrollarse sobre una fisiografía predominantemente llana con pendientes bajas (menor del 0,20%) limitado por terrazas de baja altura (entre 2,00 y 3,00m) y con el predominio de materiales areno - limosos de baja o nula cohesión entre sus partículas a lo largo de su cauce. Dichos factores contribuyen al origen de erosión lateral de su cauce.

Los episodios de erosión lateral y desbordes son predominantes como fenómenos característicos de la geodinámica externa, razón por la cual es recomendable su revestimiento a lo largo de su recorrido.

3.10.Características Hidráulicas

En el área del proyecto las siguientes características hidráulicas generales del canal natural son:

• Forma del cauce:Tendido y relativamente divagante.
• Forma del curso del río: Relativamente recto en la zona de cruce con el eje del proyecto vial.
• Pendiente longitudinal promedio: 0.20% (Aproximadamente).
• Ancho del cauce: Variable entre 5.00m y 20.00m, aproximadamente.
• Material predominante : Limos y arenas hasta una profundidad aproximada de 8.00m por debajo del fondo del cauce.
• Tirante máximo extraordinario: 2.50m en la sección menor.

3.11.Socavación Total

En razón que el proyecto sólo va tener los dos apoyos extremos, se ha prescindido de los cálculos de socavación local, considerándose a la socavación general como socavación potencial total.

Por otro lado, para ponderar los resultados, se ha asumido que la descarga máxima de diseño ocupa la amplitud del puente prescindiendo el actual revestimiento del Canal Internacional, cuya sección se estima insuficiente, para evacuar las descargas de diseño.

Como se sabe, la socavación general o normal es el descenso del lecho de un río, que se produce al presentarse una descarga máxima debido al aumento de la capacidad de arrastre de material sólido, en virtud de su mayor velocidad.

Aplicando la ecuación de equilibrio según la fórmula de Lischtwan-Lebediev (para materiales no cohesivos), ya que éstos constituyen la litología del área del cauce natural correspondiente, en la zona de ubicación del puente, se hace uso de las siguiente expresión matemática:

α = Qd/H_m^1.667.βe.µ.

p=D₈₄^0.03/(0.322+ D₈₄^0.03)

Siendo:

H_s= Profundidad de erosión.

Donde:

Según los cálculos correspondientes, se obtiene 4.76m como socavación potencial en el área de ubicación de los apoyos del puente Internacional.

3.12.Verificación de la Descarga de Diseño

La descarga de diseño del Canal Internacional fue estimada en base a la serie estadística de descargas máximas registradas del referido curso natural, entre el año 1957 y 1985 en base a la Función de Distribución de Gumbel, obteniéndose una descarga máxima de diseño de 452.00 m³/s con un periodo de retorno de 100 años; sin embargo en dicho análisis no está incluida la descarga máxima ocurrida durante el Fenómeno "El Niño" del año 1998; por tanto, mediante el siguiente procedimiento, se incorporó en el análisis dichas descargas máximas en base al rendimiento hídrico de la cuenca del río Tumbes que cuenta con dicho registro y que presenta similitud hidrológica con la cuenca del Canal Internacional.

3.12.2.Descarga de Diseño del Canal Internacional

Para el cálculo del caudal correspondiente se contó con la siguiente relación matemática:

Donde:

Q_ci=Descarga máxima del Canal Internacional (m³/s)

∆_ci=Área de cuenca del Canal Internacional (507.00 km²)

Q_T=Descarga máxima instantánea del río Tumbes (4709.21 m³/s)

∆_T=Cuenca hidrográfica del río Tumbes (5359.00 km²)

Según los cálculos efectuados, se obtiene una descarga máxima instantánea del Canal Internacional de 445.53 m³/s para un periodo de retorno de 100 años, observándose que este valor es cercano a la descarga de diseño obtenido anteriormente (numeral 3.8 de 452.00m³/s), por lo que dicho valor es consistente para los fines de diseño de la estructura proyectada.

CUENCA HODROGRÁFICA

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