DISEÑO HIDRÁULICO E HIDROLÓGICO DE OBRAS DE INGENIERÍA PARA PROYECTOS VIALES [PDF]
Autor: Jorge J. Vélez Upegui - Blanca A. Botero Hernández - Juan C. Parra Toro - Víctor M. Aristizábal Murillo - Alejandro Marulanda Aguirre
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Primera Edición - 2013
Manizales - Colombia
PRESENTACIÓN
Existe un rezago entre la “hidrología y la hidráulica” como ciencia y la “hidrología y la hidráulica aplicada” en proyectos de la vida real, ya que el estudio de las ciencias tienden a postular hipótesis para modelos muy complejos y sofisticados que requieren mucha información y que son prácticamente inaccesibles a los ingenieros practicantes. Tradicionalmente, la mayor diferencia se observa en la disponibilidad de datos y estimación de parámetros para los diferentes modelos, por lo que los ingenieros terminan aplicando los métodos antiguos y más simples, introduciendo una gran incertidumbre en los resultados y en los diseños finales de las obras.
La zona centro sur del departamento de Caldas se caracteriza por ser una región con un futuro desarrollo importante debido a la construcción del nuevo aeropuerto, por consolidarse como zona industrial del municipio de Chinchiná y la región de esparcimiento y recreación de Manizales, lo cual implica que se tienen proyectadas grandes obras que impactan a la región.
Es importante mencionar que los proyectos viales no solamente involucran el diseño de las vías en sí, sino que incluyen una gran cantidad de obras de ingeniería, como taludes, canales, viaductos, puentes, alcantarillados, botaderos, andenes, cunetas, accesos e intercambios viales que garanticen la conectividad en la zona. Todas estas obras van a requerir de un estudio hidrológico e hidráulico, el cual dependiendo del tipo de obra, vida útil y costo, se realiza con mayor o menor grado de confiabilidad.
La vida útil de los proyectos viales está muy relacionada con los drenajes y subdrenajes presentes en la vía y sus obras asociadas, por lo que se requiere de un cuidadoso estudio del comportamiento hidrológico de la región para poder llevar a cabo de forma satisfactoria el diseño hidráulico de todas estas obras.
Cuando se trata de ampliación o reutilización de una vía existente, el inventario de las obras hidráulicas existentes se hace necesario para entender el comportamiento actual de la vía, de tal forma que sea posible tomar la decisión de continuar con este tipo de obras o proponer nuevas obras que mejoren las condiciones de la vía.
En la actualidad se observan obras con serios problemas de obstrucción lo cual es un indicador del poco mantenimiento que se realiza a las vías, así como de la capacidad insuficiente para evacuar crecientes de diseño y del acelerado proceso de deforestación que han sufrido las cuencas en los últimos años. Esto evidencia el cambio de uso del suelo en los últimos 40 años, ya que presumiblemente estas obras fueron diseñadas en la década de los años 70 del siglo pasado y en el momento de su diseño no se contemplaron todas las variables que se tienen en cuenta en el diseño hidrológico moderno, ni se tuvo en cuenta la expansión y desarrollo de la zona.
Para el diseño de las obras hidráulicas de los proyectos viales, tal como se ha mencionado, se requiere el estudio técnico de una gran variedad de estructuras; de esta forma se propone el diseño de las obras típicas de cruce de la vía, y cuando estas obras son más importantes se convierten en obras complejas ya que requieren de estructuras especiales a la entrada o la salida, las cuales puedes ser alcantarillados, escalones, pantallas deflectoras, torrenteras, canales de rápidas con tapa y columpio, enrocados de protección, solados y protecciones de bioingeniería. También se requiere el diseño de los filtros longitudinales, los cuales se encargan de mantener aba do el nivel freático, de tal forma que la vía no se vea afectada por las fluctuaciones que se presentan constantemente en las aguas subterráneas.
Otras obras asociadas al proyecto vial también requieren de un diseño hidráulico; es el caso de los intercambios viales, los pasos a nivel, los botaderos, las canteras de material de construcción, los separadores, los andenes, los accesos a las diferentes propiedades y las alcantarillas existentes que se modifiquen o se vean afectadas por el proyecto vial. Todas ellas son obras que requieren de una revisión de las condiciones hidrológicas e hidráulicas. Finalmente, se tiene que para la zona de estudio se efectuaron los respectivos estudios hidráulicos detallados de socavación en los lugares que lo requerían, pero no se incluyen aquí por no ser objeto de este manual.
En el presente texto se citan, además de los aportes propios de los autores, las principales normativas nacionales que rigen estos tipos de diseños, así como las propuestas técnicas que para tales fines exponen diversos autores locales o extranjeros. Las referencias que citan la fuente deben ser consultadas, no sólo en reconocimiento a la labor original, sino además para una comprensión más amplia de la naturaleza e intención de dichos diseños.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Criterios de diseño
2.1.1. Criterios hidrológicos
2.1.2. Criterios hidráulicos
2.2. Recopilación y análisis de la información
2.2.1. Análisis de la información temporal
2.2.2. Análisis de información espacial
2.2.3. Caracterización fisiográfica y geomorfológica
2.3. Marco teórico del diseño hidrológico
2.3.1. Intensidad de la lluvia máxima
2.3.2. Cálculo de caudales máximos
2.4. Balance hidrológico
2.4.1. Métodos de cálculo para evapotranspiración
2.4.2. Cálculo de la precipitación efectiva
2.4.3. Escorrentía
2.5. Marco teórico de los estudios hidráulicos
2.5.1. Emplazamiento de las obras
2.5.2. Distribución longitudinal de las obras
2.5.3. Conducciones
2.5.4. Colectores
2.5.5. Cunetas
2.5.6. Canales de rápidas con tapa y columpio, CRTC
2.5.7. Torrenteras
2.5.8. Canales con pantallas deflectoras,
2.5.9. Filtros
2.5.10. Sumideros
2.5.11. Longitud de solado y tamaño medio de los elementos individuales del solado
2.5.12. Revestimiento de canales de enrocado
3. CASO DEL ANILLO VIAL DE LA REGIÓN CENTRO-SUR DEL DEPARTAMENTO DE CALDAS, TRAMO TRES PUERTAS - ALTO EL PAISA
3.1. Localización general
3.2. Criterios de diseño
3.3. Recopilación y análisis de la información
3.3.1. Análisis de la información temporal
3.3.2. Análisis de la información espacial
3.3.3. Obtención del Número de Curva, NC
3.3.4. Coeficiente de escorrentía
3.3.5. Intensidad de lluvia máxima
3.4. Estudio hidrológico de una cuenca mayor: caso de estudio río Chinchiná
3.4.1. Caracterización morfométrica y fisiográfica
3.4.2. Caracterización geomorfológica
3.4.3. Cálculo de lluvia máxima diaria
3.4.4. Cálculo del Número de Curva, NC
3.4.5. Modelación hidrológica de la cuenca del río Chinchiná con el Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System (HEC-HMS)
3.4.6. Estimación de los parámetros para la modelación hidrológica
3.5. Estimación de los caudales para las intercuencas y la escorrentía en las laderas
3.6. Balance hídrico de la zona de estudio del proyecto
3.6.1. Métodos de cálculo de la evapotranspiración
3.6.2. Cálculo de la precipitación efectiva
3.6.3. Escorrentía y caudal
3.7. Obras hidráulicas existentes
3.7.1. Obras transversales
3.7.2. Obras longitudinales (cunetas y canales)
3.7.3. Sitios especiales
3.7.4. Protocolo de las evaluaciones de tipo estructural e hidráulico en obras transversales
3.7.5. Protocolo de las evaluaciones de tipo estructural e hidráulico en obras longitudinales (cunetas y canales)
3.7.6. Fichas individuales de descripción del estado actual de cada una de las obras longitudinales en el tramo Tres Puertas - Alto El Paisa
3.7.7. Fichas individuales de descripción del estado actual de cada una de las obras transversales en el
tramo Tres Puertas - Alto El Paisa
3.7.8. Fichas individuale de descripción del estado actual de los sitios especales en el tramo Tres Puertas - Alto El Paisa
3.8. Diseño de las estructuras hidráulicas para el caso de estudio
3.8.1. Parámetros y valores de diseño
3.8.2. Colectores
3.8.3. Cunetas
3.8.4. Canales de rápidas con tapa y columpio
3.8.5. Torrenteras
3.8.6. Canales con pantallas deflectoras
3.8.7. Filtros
3.8.8. Sumideros
3.8.9. Longitud de solados
3.8.10. Tamaño medio de los elementos individuales del solado
3.8.11. Revestimiento de canales con enrocado
3.9. Ejemplos de diseño definitivo
4. CONCLUSIONES
5. REFERENCIAS
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Atentamente,
Admin de Hidro SM
