Matematicas

INFORME ESTUDIOS Y DISEÑOS TÉCNICOS DE DETALLE, A NIVEL FASE III, DEL PROYECTO “VÍA MUNICIPIO DE MACEO – VEREDA LA SUSANA – LA MINA”

VOLUMEN VII

ESTUDIO HIDROLÓGICO, HIDRÁULICO Y DE SOCAVACIÓN PARA LA VÍA MACEO – LA SUSANA – LA MINA (PLANTA CEMEX), EN EL DEPARTAMENTO DE ANTIOQUIA

ENTIDAD CONTRATANTE

CEMEX DE COLOMIBIA S.A

JUNIO DE 2014

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN 7

2 OBJETIVOS Y ALCANCES 12

2.1 OBJETIVO GENERAL 12

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12

2.3 ALCANCES 13

3 MARCO TEORICO 15

4 LOCALIZACIÓN GENERAL DEL PROYECTO. 22

4.1 DEPARTAMENTO DE ANTIOQUIA 22

4.1.1 Hidrografía. 23

4.1.2 Clima. 26

4.1.3 Geografía. 27

4.2 MUNICIPIO DE MACEO 27

4.2.1 Clima. 28

5 ESTUDIOS HIDROLOGICOS 29

5.1 RECOPILACION Y ANALISIS DE INFORMACION 29

5.2 METODOLOGÍA 31

5.3 CARTOGRAFIA 33

5.4 ANÁLISIS DE LLUVIA Y CLIMATOLOGÍA 34

5.4.1 PRECIPITACIONES MEDIAS 34

5.4.2 Precipitaciones Máximas 36

5.4.3 Estadísticos Básicos Registros De Precipitación Máxima 39

5.5 ANÁLISIS DE CAUDALES 43

5.5.1 Método Racional (Área Aferente < 2.50 Km2) 44

5.5.2 Método Del Hidrograma Unitario Del Soil Conservation Service (Área Aferente 2.50 Km2 – 20.0 Km2) 46

5.5.3 Modelo Hidrológico Hec – Hms (Área Aferente > 20.0 Km2) 49

5.5.4 Periodo De Retorno 56

5.5.5 Justificación De Fórmulas Empleadas 58

6 ESTUDIOS HIDRÁULICOS 60

6.1 ANÁLISIS HIDRAULICO 60

6.2 OBRAS MENORES 60

6.2.1 Evaluación Y Diseño De Canales 60

6.2.1.1 Cunetas 61

6.2.1.2 Canales En Taludes 63

6.3 EVALUACIÓN Y DISEÑO DE ALCANTARILLAS 64

6.3.1 Alcantarillas Convencionales (Fondo Plano) 65

6.4 OBRAS DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA: descoles y bajantes en taludes 69

6.4.1 Estructuras Escalonadas 70

6.4.2 Canal Con Pantallas Deflectoras (Cpd) Optimizado 73

6.4.3 Canal De Rápidas Con Tapa Y Columpio (Crtc) 76

6.5 EVALUACIÓN Y DISEÑO DEL SUBDRENAJE 78

6.5.1 Evaluación Del Geotextil A Usar En El Filtro 80

6.5.2 Cálculo Hidráulico Para La Escogencia Del Geotextil 81

6.6 EVALUACIÓN HIDRÁLICA EN SITIOS DE “PONTEADERO” 82

6.6.1 Modelación Hidráulica Del Cauce 82

6.6.2 Estimación De Caudales De Diseño 84

6.6.3 Geometría Del Cauce 85

6.6.4 Coeficiente De Rugosidad 85

7 SOCAVACIÓN EN PONTEADEROS 86

7.1 SOCAVACIÓN GENERAL 86

7.2 SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS 89

7.3 SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS 91

7.3.1 Socavación local en pilas. Ecuación de Hire 92

7.3.2 Socavación local en pilas. Ecuación de Froehlich 92

7.4 SOCAVACIÓN EN DESCOLE DE ALCANTARILLAS 93

8 RESULTADOS OBTENIDOS 95

8.1 CAUDALES DE DISEÑO 95

8.2 OBRAS MENORES 103

8.2.1 Cunetas 103

8.2.2 Canales En Taludes 105

8.3 ALCANTARILLAS CONVENCIONALES (FONDO PLANO) 106

8.3.1 Alcantarillas Existentes 106

8.3.2 Alcantarillas Proyectadas 111

8.4 SITIOS DE "PONTEADERO" 112

8.4.1 Modelación Hidráulica Del Cauce 112

8.4.2 Geometría Del Cauce 113

8.4.3 Coeficiente De Rugosidad 114

8.4.3.1 Método De Posada (1998) 114

8.4.3.2 Método De Suarez (2001) 115

8.4.3.3 Método Del U.S Geotecnical Survey (Usgs) 117

8.4.4 Socavación General En Sitios De Ponteadero 119

8.4.5 Socavación Local En Sitios De Ponteadero 119

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 120

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Estaciones meteorológicas utilizadas – Antioquia – Colombia – IDEAM 29

Tabla 2 Precipitaciones medias mensual y precipitación anual Estación Vegachi. 34

Tabla 3 Precipitaciones medias mensual y precipitación anual Estación Virginias. 34

Tabla 4 Precipitaciones medias mensual y precipitación anual Estación Yolombó 35

Tabla 5. Tabla climática Maceo 39

Tabla 6. Valores promedio de las series históricas anuales de precipitación máxima. 39

Tabla 7. Parámetros IDF 40

Tabla 8. Periodo de retorno según el nivel de importancia de las obras. 58

Tabla 9. Características áreas principales aferentes a la vía. 96

Tabla 10. Tiempos de concentración. 98

Tabla 11. Coeficientes de escorrentía. 98

Tabla 12. Caudales IDF estación Yolombo. 100

Tabla 13. Caudales IDF estación Virginias. 101

Tabla 14. Caudales IDF estación Vegachi. 103

Tabla 15. Resumen alcantarillas existentes. 107

LISTA DE GRAFICAS

GRAFICA 1. Localización del departamento de Antioquia. 23

GRAFICA 2. Mapa hidrográfico del departamento de Antioquia. 25

GRAFICA 3. Localización municipio de Maceo. 28

GRAFICA 4. Estación Climatológica Vegachi 30

GRAFICA 5. Estación Climatológica Virginia (Puerto Berrio) 30

GRAFICA 6. Estación Climatológica Yolombó 31

GRAFICA 7. Precipitación media anual vs altitud. 35

GRAFICA 8. Precipitación media mensual. 36

GRAFICA 9. Precipitación máxima. 37

GRAFICA 10. Climograma maceo 38

GRAFICA 11. Diagrama de temperatura 38

GRAFICA 12. Curva IDF. Estación Vegachi. 42

GRAFICA 13. Curva IDF. Estación Virginias, Puerto Berrio. 42

GRAFICA 14. Curva IDF. Estación Yolombó. 43

GRAFICA 15. Flujo escalón a escalón “Nape Flow”. 71

GRAFICA 16. Capacidad hidráulica cuneta triangular. 104

GRAFICA 17. Capacidad hidráulica canal trapezoidal. 106

GRAFICA 18. Capacidad hidráulica tubería diámetro 0.45 m. 108

GRAFICA 19. Capacidad hidráulica tubería diámetro 0.60 m. 108

GRAFICA 20. Capacidad hidráulica box culvert 1.50m x 1.50m. 109

GRAFICA 21. Capacidad hidráulica box culvert 2.00m x 2.00m. 109

GRAFICA 22. Capacidad hidráulica box culvert 3.00m x 2.40m. 110

GRAFICA 23. Capacidad hidráulica box culvert 3.00m x 3.00m. 110

GRAFICA 24. Capacidad hidráulica tubería diámetro 0.90 m. 112

INTRODUCCIÓN

Colombia es el vigésimo sexto país más grande del mundo y el cuarto en América del Sur, cubriendo un área de 1´141.748 km². Localizado en el extremo noroccidental del territorio suramericano, está bordeado por el este con Venezuela y Brasil, al sur con Ecuador y Perú, al norte con el mar Caribe (Océano Atlántico), al noroeste con Panamá, y por el oeste con el Océano Pacífico.

En el mundo, Colombia es uno de los países con mayores recursos hídricos, ríos, quebradas y nacimientos de agua, además es la principal fuente hídrica del planeta, en cuyo territorio se encuentran cinco grandes vertientes hidrográficas, llamadas por el sitio en que desembocan: Caribe, Orinoco, Amazonas, Pacifico y Catatumbo, ésta última formada por los ríos que vierten sus aguas al Lago de Maracaibo.

Sus principales ríos son el Caquetá, el Magdalena, el Cauca y el Atrato; los tres últimos tienen la particularidad en América del Sur de dirigirse de sur a norte, y el último de éstos es uno de los más caudalosos del mundo en relación con su longitud.

El régimen hidrológico que se da en nuestro país, obedece a las características climáticas y orográficas, siendo estas muy variadas. En los ríos de montaña que corresponden a la parte alta de la cuenca, las descargas pueden llegar a ser torrentosas en las épocas de avenidas y tener períodos con mínima circulación de descargas, tal es el de estiaje.

En la parte baja de los ríos las descargas se incrementan, dada el área de la cuenca colectora y en los períodos de avenidas la vulnerabilidad de las zonas urbanas y agrícolas a ser inundadas es mayor.

En los últimos años, el análisis de las obras de protección y/o control de inundaciones, han adquirido algunos conceptos adicionales a los que usualmente se consideraban y que normalmente se sujetaban exclusivamente al diseño de las estructuras de encauzamiento. A la fecha, las consideraciones son mucho más INTEGRALES y es un hecho cada vez más exigido.

Dado los cambios climáticos asociados a los fenómenos de calentamiento global, fenómenos de la niña y el niño, el período de retorno es una variable susceptible de ser modificada, con ello la descarga de máximas avenidas y por consiguiente las obras hidráulicas.

La Niña es un fenómeno climático que forma parte de un ciclo natural global del clima conocido como El Niño – Oscilación del sur (ENSO por sus siglas en inglés). Este ciclo global tiene dos extremos: una fase cálida conocida como El Niño y una fase fría, precisamente conocida como La Niña.

Los caudales de Avenidas se presentan siguiendo un patrón denominado “Probabilidad de Ocurrencia”. En Términos Hidrológicos, la relación inversa de la Probabilidad de Ocurrencia es el denominado “Período de Retorno”.

Esta denominación obedece al tiempo que se requiere para que un evento de una magnitud dada se repita.

Según el registro que lleva

...