Anexo ii.2 ingenieria_basica_-_rev_0

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Anexo ii.2 ingenieria_basica_-_rev_0

  1. 1. ANEXO II.2Ingeniería BásicaProyecto Camino Operación Bocatoma CipresesPRAMAR ambiental consultores
  2. 2. CONTRATO CHAC.07.31 PROYECTO HIDROELÉCTRICO CHACAYES “MEJORAMIENTO CAMINO INTERIOR RESERVA LOS CIPRESES”2 INGENIERÍA BASICA2.1 TOPOGRAFÍA2.1.1 ANTECEDENTES GENERALESLos trabajos geodésicos y topográficos que se describen a continuación, se handesarrollado consecuentemente según lo establecido en el Manual de CarreterasVolumen N 2 versión Dic. 2001 (MCV2), específicamente el Capítulo 2.300 “IngenieríaBásica - Aspectos Geodésicos y Topográficos”. En general las labores geodésicas ytopográficas cumplieron el objetivo de desarrollar las actividades correspondientes a lasetapas, Sistema de Transporte de Coordenadas, Levantamientos Topográficos ydefinición de alternativas de trazados.2.1.2 RECURSOS EMPLEADOSPersonal Profesional3 Técnicos Topógrafos2 Alarifes Avanzados1 Ingeniero Geomensor CoordinadorInstrumental TopográficoLos trabajos topográficos fueron ejecutados con el siguiente instrumental:  1 Estación Total, Láser marca Topcon Modelo GTP 3005 LW  1 Estacione Total, marca Topcon Modelo GTS 239 W  2 TOPCON HIPPER, receptores de Doble frecuencia (L1 y L2) y código C/A, con una precisión nominal en método estático de 5 Mm. + 1 ppm.SOFTWARE.TOPCON TOOLS, contando adicionalmente con programas y rutinas de desarrollo propiode TOPOVIA para el cálculo y transformación de coordenadasPC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-1
  3. 3. 2.1.3 CARACTERÍSTICAS DEL SECTOREl sector donde se concentraron las actividades topográficas corresponde a la VI Regiónemplazado en la riberas de los Ríos Cachapoal y Cipreses a 21km aguas arriba de lalocalidad de Coya el sector especifico corresponde a los caminos interiores de la ReservaNacional Rio Los Cipreses de CONAF.2.1.4 ANTECEDENTES EXISTENTESSistema de Transporte de CoordenadasEl origen del sistema de transporte de coordenadas corresponde al entregado por elmandante como parte de las labores topográficas ejecutadas en noviembre 2009 en loscaminos a la bocatoma Cipreses, corresponde a dos vértices materializados en lasinmediaciones de la futura bocatoma Chacayes a saber:Estación Coordenada Norte Coordenada Este CotaA-1 6.198.593,178 373.139,574 1.104,612A-2 6.198.679,343 373.130,079 1.104,478Según las indicaciones del topógrafo de PacificHidro a cargo en terreno Señor HéctorLuttges, los monumentos corresponden al sistema de apoyo de las labores en el puente ybocatoma, las coordenadas son planas reducidas con origen UTM.Estas serian generadas del sistema de levantamiento láser aerotransportado.Es importante señalar que el presenta trabajo quedo generado a partir de estos dosvértices y no se interactuó con otras estaciones, se entiende que los sistemas estánvalidados en etapas anteriores.2.1.5 ALCANCE DE LOS TRABAJOSLos trabajos realizados involucraron los siguientes tópicos:  Sistema de referencia.  Sistema de Transporte de Coordenadas  Definición de la Cartografía de Apoyo  Levantamientos Topográficos Complementarios.  Diseños Geométricos  Anexos.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-2
  4. 4. 2.1.6 SISTEMA DE TRANSPORTE DE COORDENADAS (STC)El Sistema de Transporte de Coordenadas principal del estudio corresponde al indicadoanteriormente, vale decir vértices A-1 y A-2, que se ubican en el sector bocatomaChacayes.El vértice de apoyo utilizado denominado vértice A-3. Correspondiente a las laborestopográficas desarrolladas en Noviembre del 2009 como parte de las actividadestopográficas en la Bocatoma Chacayes, en croquis adjunto se ilustra este vértice deapoyo. Figura Nº 2.1-1 Vértice de apoyo Fuente: Elaboración propiaComo lo muestra el croquis anterior los vértices A3 y A4 se encuentran en la riberaponiente del rio los cipreses y serán parte de los apoyos en los caminos interiores de LaReserva.Para las presente labores de conservación del camino materializamos nueve nuevosvértices emplazado en las inmediaciones del camino de acceso denominamos con lassiglas CIP- (CIP-1, CIP-2, CIP-3, CIP-4, CIP-5, CIP-6, CIP-9, CIP-10, CIP-16).PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-3
  5. 5. Figura Nº 2.1-2 Fuente: Elaboración propiaEstos vértices son las bases exclusivas para el desarrollo de las actividades del camino.Nuestra Red fue medida con sistema GPS. Y ocupamos como origen el vértice A-3.2.1.6.1 Requerimientos y PrecisionesLos trabajos fueron realizados de acuerdo a las tolerancias establecidas por el Manual deCarreteras, Según el MCV2 numeral 2.307.202, todo Sistema de Transporte deCoordenadas contará con Figuras determinadas mediante GPS que se usarán comoelementos patrón desde donde se iniciará y cerrará dicho STC. Para el caso particular deeste Estudio de Proyecto de Ingeniería, y de acuerdo al cuadro 2.307.202 A, al Sistemade Transporte de Coordenadas le corresponde, un Orden de Control Secundario. (Vercuadro 2.307.203 B MCV2).2.1.6.2 Característica del Sistema de Transporte de CoordenadasUbicación de los Puntos GPSLa planificación se definió con el reconocimiento en terreno de cada uno de los sectoresobteniendo las distancias ubicación más completa desde el punto de vista de cobertura devisual e interferencia para las mediciones, teniendo muy presente que los puntos de la redpuedan ser ocupados mediante topografía tradicional en las etapas posteriores delproyecto, en este contexto los puntos tienen las siguientes coberturas entre ellos(Calajes).PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-4
  6. 6.  CP-1 ------CP-2 Sector Inicio Dm. 6400  CP-3-------CP-4 Sector Quebrada  CP-5------ CP-6 Sector Quebrada  CP-9-------CP-10 Sector Quebrada Seca  CP-16------A-3 Sector inicio Tramo 4La red formada por los vectores es representada en la siguiente figura: Figura Nº 2.1-3 Plano General Ligazón y Sistema de Transporte de Coordenadas Fuente: Elaboración propiaEl origen del Sistema de Transporte de Coordenadas principal del estudio corresponde alpunto A-3. Sus coordenadas son origen WGS-84 Sirgas 2000.2.1.6.3 Procesos Definitivos y Ajustes de la “Red GPS Principal” Tabla Nº 2.1-1 Horizontal Vertical Distance Solution GPS GLONASSName Precision Precision PDOP RMS (m) Type Satellites Satellites (m) (m)A-3−CIP-1 0.005 0.007 5665.993 Fixed 10 4 1.72 0.008A-3−CIP-16 0.001 0.002 779.375 Fixed 8 4 1.94 0.003CIP-1−CIP-2 0.002 0.005 184.457 Fixed 10 5 1.765 0.005CIP-2−CIP-3 0.001 0.003 685.588 Fixed 9 4 2.698 0.004CIP-3−CIP-4 0.001 0.002 508.594 Fixed 7 2 2.975 0.002CIP-4−CIP-5 0.003 0.005 524.945 Fixed 8 4 2.307 0.006CIP-5−CIP-6 0.001 0.001 100.899 Fixed 8 4 1.906 0.001CIP-6−CIP-9 0.001 0.002 1886.564 Fixed 8 3 2.329 0.002CIP-9−CIP-10 0.001 0.002 112.57 Fixed 7 4 2.073 0.002CIP-10−CIP-16 0.001 0.002 2391.31 Fixed 8 4 2.165 0.003 Fuente: Elaboración propiaPC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-5
  7. 7. En el tipo de solución todos los vectores fijan ya sea en simple o doble frecuencia, porotra parte la cantidad de satélites que intervienen en el proceso, es superior a 9 y elPDOP es inferior a 3 y por último los RMS como medidas de ruido mientras menores seanestos, mejores serán las soluciones, los resultados indican que el mayor alcanza 0,8 cm.que es bueno. Superiores a 3 cm. Es motivo de análisis.Los procesos fueron desarrollados en software Topcontools, donde las figuras con cierresse han determinado anteriormente y las cuales serán controladas con las toleranciasexigidas.Cierres de las figuras dHz dU dHz dU LengthLoop (m) (m) (ppm) (ppm) (m)CIP-1-CIP-2-CIP-3-CIP-4-CIP-5-CIP-6-CIP- 0.0191 0.0811 1.49 6.32 12840.2949-CIP-10-CIP-16-A-3Los resultados obtenidos en STC son satisfactorios, entregando precisiones demilímetros por KM (1,49 y 6,32 PPM) valores extremos.En conclusión, las coordenadas de la Red son de calidad y pueden ser utilizadas enetapas siguientes del Estudio. Tabla Nº 2.1-2 Coordenadas UTM NOMBRE NORTE UTM ESTE UTM COTA A−3 6199284.532 370598.82 1251.383 CIP−1 6203400.268 366709.172 1147.66 CIP−2 6203339.095 366535.542 1158.142 CIP−3 6202700.456 366782.856 1183.888 CIP−4 6202282.881 367072.459 1168.413 CIP−5 6201982.51 367502.442 1152.332 CIP−6 6201904.997 367566.424 1143.889 CIP−9 6200545.979 368873.315 1183.945 CIP−10 6200442.24 368916.855 1181.725 CIP−16 6198541.514 370364.584 1254.657 Fuente: Elaboración propia2.1.6.4 MonumentaciónLa Monumentación se realizó según las especificaciones del MCV2, es decir monolito de0.30x.30x.50 Metros. El criterio usado en la selección del lugar considera visibilidad,estabilidad general del proyecto, factibilidad en la instalación de los instrumentos y laactividad general del área, todos los monolitos fueron balizados con pintura de trafico decolor amarillo su numeración quedo grabada en el hormigón fresco.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-6
  8. 8. 2.1.6.5 Vértices Auxiliares complementoEstas son estaciones auxiliares y están emplazadas a lo largo de todo el camino fuerondispuestas para desarrollar los levantamientos topográficos correspondientes a la faja delcamino.Sistema de proyección cartográfica y referenciación geodésicaLos trabajos están referidos al Datum WGS-84; proyección cartográfica empleadacorresponde a un Sistema Plano Local, con origen UTM.Por lo tanto las coordenadas utilizadas en el presente trabajo son topográficas reducidas.El origen de las reducciones quedo establecido en el vértice A-3La reducción se ejecuto con un programa desarrollado en DOS. Tabla Nº 2.1-3 NOMBRE Norte UTM Este UTM Cota GPS Norte Topográfico Este Topográfico A3 6199284.53 370598.82 1220.367 6199284.8 370597.73 CIP16 6198541.51 370364.584 1223.927 6198541.49 370363.405 CIP10 6200442.24 368916.855 1151.322 6200442.93 368915.125 CIP9 6200545.98 368873.315 1153.556 6200546.71 368871.568 CIP6 6201905 367566.424 1113.765 6201906.21 367564.191 CIP5 6201982.51 367502.442 1122.222 6201983.75 367500.185 CIP4 6202282.88 367072.459 1138.378 6202284.22 367070.044 CIP3 6202700.46 366782.856 1153.92 6202701.95 366780.331 CIP2 6203339.1 366535.542 1128.252 6203340.81 366532.919 CIP1 6203400.27 366709.172 1117.754 6203402.01 366706.61 Fuente: Elaboración propia2.1.6.6 Altimetría  Los trabajos quedaron referidos al vértice A-3.  Los cálculos respecto del traslado de la coordenada altimétrica se basa principalmente en el software de procesamiento del modelo geoidal mundial EGM08.  Todos nuestros cálculos de coordenadas y cierres verticales se desarrollaron en el elipsoide, en el presente desarrollaremos la reducción a altura ortométrica en el geoide mediante el software EGM08, que tiene mejores resultados que el EGM 96.  Todos los vértices serán presentados en conjunto.  El origen de las alturas para todo el estudio corresponde los vértices A-3.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-7
  9. 9. Tabla Nº 2.1-4 Desc Latitud Longitud h Elipsoidal N EGM08 H Ortométrico Estimado A−3 -34.33967239 -70.40680945 1251.383 29.716 1221.667 CIP−1 -34.30207364 -70.44844702 1147.660 28.931 1118.729 CIP−2 -34.30260282 -70.45034279 1158.142 28.915 1129.227 CIP−3 -34.30839231 -70.44775484 1183.888 28.993 1154.895 CIP−4 -34.31219415 -70.44467291 1168.413 29.06 1139.353 CIP−5 -34.31495719 -70.44004735 1152.332 29.135 1123.197 CIP−6 -34.31566419 -70.43936409 1143.889 29.149 1114.740 CIP−9 -34.32808271 -70.42537111 1183.945 29.414 1154.531 CIP−10 -34.32902348 -70.42491377 1181.725 29.428 1152.297 CIP−16 -34.34634192 -70.40946741 1254.657 29.755 1224.902 Fuente: Elaboración propia2.1.7 BALIZADOSEl Balizado fue desarrollado en toda la longitud estudiada el Dm 000 corresponde alportón de acceso a la reserva, el balizado ejecutado comenzó en el Dm 6000 en adelante,fue desarrollado con huincha metálica cada 20 metros y demarcado cada 50 metros el Dmfinal del estudio corresponde a Dm. 13725, los Dm. fueron demarcados con tablillas cada50 metros con fondo amarillo con números negros2.1.8 LEVANTAMIENTOSCartografía PreliminarEl objetivo de esta cartografía es prediseñar un camino que se desprenda del caminoexistente y conecte a la bocatoma Cipreses por el lado poniente del Rio Cipreses.La cartografía existente corresponde al vuelo láser aerotransportado escala 1:2.000.En esta etapa se analizo muy preliminarmente los corredores para las alternativas deconexión del camino con la bocatoma Cipreses.Cartografía DefinitivaCorresponde a un levantamiento topográfico desarrollado con métodos tradicionalesestaciones totales. El levantamiento tiene por objeto definir las características topográficasde toda el área de interés, cauces existentes y su entorno en cuanto a planimetría yaltimetría. La densidad de puntos establecidos es la requerida para elaborar un planoescala 1:1.000 con curvas de nivel cada 1,0 m, e incluyó la toma de todos los detallesnecesarios tales como: bordes, cortes y terraplenes, Cauces, etc..Levantamientos Topográficos Escala 1:1.000Este levantamiento se desarrollo desde la Red Básica del Sistema de Transporte deCoordenadas, con estaciones totales tradicionales y del tipo láser.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-8
  10. 10. Desde las estaciones de apoyo Topográfico se desarrollo el levantamiento de todas lasáreas involucradas, por el método de radiación, el sector a levantar fue acotado conanterioridad.Los levantamientos fueron divididos en lo siguiente:  La faja del camino interior de La Reserva desde el Dm. 5.458 a Dm. 13.725. Cuyo objetivo era generar una planta y perfil longitudinal de la ruta.  Cuatro quebradas importantes, en estas se levantaron sus afluentes en con un mínimo de 200 metros aguas arriba y debajo de la misma.  Faja de camino nuevo denominado Tramo IV, esta faja fue predetermina previamente en un plano escala 1:2.000, para luego ser levantada y generar un plano escala 1:1.000Una premisa importante antes de iniciar las labores fue la inducción recibida por CONAF enla que se nos estableció que no se podía realizar ningún tipo de roce en la faja ni camino,por lo que la labor de topografía fue aun mas difícil ocupando métodos alternativos para latoma de datos.A continuación se presenta el detalle de los sectores levantados: Tabla Nº 2.1-5 Faja para Levantamiento, Anchos referidos al Eje Existente (1:1.000) Número de Levantamiento Dm Dm Puntos Área Observación (m) inicio Fin (Ha) Faja Camino 5458 13725 2372 Eje camino Existente Quebrada1 7770 30940 665 4,2 Quebrada2 8830 498 3,1 Quebrada3 10490 669 4,8 Quebrada4 12910 504 3,3 Tramo IV 0000 723.15 604 10,6 Acceso a Bocatoma Fuente: Elaboración propiaEn general los puntos levantados superan lo normal para la escala establecida 1.1000 Totalpuntos por HAS., se encuadra dentro de un levantamiento escala 1:5002.1.9 GABINETE DIBUJO Y PLANO DEFINITIVOEl proceso de dibujo se hizo con sistemas computacionales, desde la toma de puntos enterreno hasta el dibujo final. Primero se bajan los datos de la estación total y se procesacon el Software TOPCON LINK, GTS210 y luego se ocupa un programa rutina propiallamado Menú leva. Este programa ordena los datos de la planilla ASCII cuyo formatoestá compuesto por columnas las que indican: número del punto, coordenadas norte,coordenadas este, cotas y una columna con la descripción. El programa menú leva nosentrega dos tipos de archivos .Lev. y .Plani. Aplicables a Autocar. Donde se generan pormedio de rutinas autolips Dicha codificación incorpora todos los atributos a cada elementolevantado, finalmente mediante Software Land D. se desarrolla el modelo final.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-9
  11. 11. 2.2 HIDROLOGÍA2.2.1 GeneralidadesEl Presente capítulo corresponde al estudio hidrológico y tiene como objetivo ladeterminación de los caudales de diseño para los períodos de retorno seleccionados queserán necesarios para el diseño de los tres badenes mayores y las obras de arte del tramoIV, del proyecto Mejoramiento Camino Interior Reserva Nacional Río Los Cipreses. Elresto de las obras de saneamiento serán determinadas a nivel monográfico, basado en laexperiencia del consultor y en lo observado en las visitas a terreno.El área de estudio se localiza en la Región de Rancagua, en la cordillera entre los 1.100 –2.600 m.s.n.m., donde el relieve es abrupto y de fuertes pendientes, con vegetación másescasa a medida que aumenta la altura. Las precipitaciones en la zona alcanzan valoresmedios anuales de 686 mm y las temperaturas medias anuales son de 9,6ºC.La zona del estudio presenta un régimen de precipitaciones de origen nivo-pluvial. Sinembargo, dado que se detectó que la línea de nieves ha sufrido un desplazamientorelativamente repentino hacia cotas superiores a Sewell (2.155 m.s.n.m.) y no existenmodelos que permitan actualmente determinar su ubicación precisa, se supondrá el casomás desfavorable para determinar los caudales, es decir, considerar que elcomportamiento hidrológico de las cuencas obedece a un régimen puramente pluvial.La metodología considera el análisis de la pluviometría de la zona, en particular de lasprecipitaciones máximas en 24 horas, por lo que se requiere de métodos indirectos paraestimar caudales. Para tal efecto se recopila información disponible en la DirecciónGeneral de Aguas (D.G.A.) y la Dirección Meteorológica de Chile (D.M.C.). En este casoparticular la información fue proporcionada por el “ESTUDIO DE SOBRECARGAS DEAVALANCHAS Y ANÁLISIS DE PROTECCIONES PARA EL CAMINO COLÓN –SEWELL, CARRETERA EL COBRE”, Rodrigo Ramírez M., 2002.Con estos antecedentes se realiza un análisis de frecuencia de las diferentes estadísticasque entrega la magnitud de las lluvias para diferentes períodos de retorno, conforme a latabla 3.702.403.B del Manual de Carreteras Vol. 3. Estos métodos son los siguientes:distribución Normal, distribución Log-Normal, distribución Gumbel, distribución Gamma ydistribución Log-Pearson Tipo III.Esta información permitirá, posteriormente, el cálculo indirecto de caudales a través delas relaciones precipitación-escorrentía. Dado el tamaño de las cuencas involucradas enel presente estudio, se ocupará el método Racional.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-10
  12. 12. 2.2.2 HIDROLOGÍA DEL CAMINO2.2.2.1 IntroducciónLa zona del estudio presenta un régimen de precipitaciones de origen nivo-pluvial. Sinembargo, dado que se detectó que la línea de nieves ha sufrido un desplazamientorelativamente repentino hacia cotas superiores a Sewell (2.155 m.s.n.m.) y no existenmodelos que permitan actualmente determinar su ubicación precisa, se supondrá el casomás desfavorable para determinar los caudales, es decir, considerar que elcomportamiento hidrológico de las cuencas obedece a un régimen puramente pluvial.La metodología considera el análisis de la pluviometría de la zona, en particular de lasprecipitaciones máximas en 24 horas, por lo que se requiere de métodos indirectos paraestimar caudales. Para tal efecto se recopila información disponible en la DirecciónGeneral de Aguas (D.G.A.) y la Dirección Meteorológica de Chile (D.M.C.). En este casoparticular la información fue proporcionada por el “ESTUDIO DE SOBRECARGAS DEAVALANCHAS Y ANÁLISIS DE PROTECCIONES PARA EL CAMINO COLÓN –SEWELL, CARRETERA EL COBRE”, Rodrigo Ramírez M., 2002.Con estos antecedentes se realiza un análisis de frecuencia de las diferentes estadísticasque entrega la magnitud de las lluvias para diferentes períodos de retorno, conforme a latabla 3.702.403.B del Manual de Carreteras Vol. 3. Estos métodos son los siguientes:distribución Normal, distribución Log-Normal, distribución Gumbel, distribución Gamma ydistribución Log-Pearson Tipo III.Esta información permitirá, posteriormente, el cálculo indirecto de caudales a través delas relaciones precipitación-escorrentía. Dado el tamaño de las cuencas involucradas enel presente estudio, se ocupará el método Racional.2.2.2.2 Antecedentes CartográficosPara la determinación del área aportante y parámetros geomorfológicos del camino enestudio, se utilizó la carta Sewell del IGM escala 1:50.000.2.2.2.3 Antecedentes pluviométricosPara el estudio de precipitaciones, se contó con los registros de precipitaciones máximasanuales en 24 horas, de las estaciones pluviométricas que se muestra en el Cuadro Nº2.1. En el Anexo Nº6 se muestran los datos de las estaciones pluviométricas.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-11
  13. 13. Tabla Nº 2.2-1 Estaciones pluviométricas Latitud Longitud Altitud Estación Sur Oeste m.s.n.m. Rancagua 34º11’ 70º44’ 520 Sewell 34º05’ 70º23’ 2155 Fuente: Elaboración propiaA continuación, en la siguiente Figura, se muestra un plano de ubicación general de lasestaciones mencionadas. Figura Nº 2.2-1 Plano de ubicación general de las estaciones pluviométricas Estación Sewell Estación Rancagua Fuente: Elaboración propiaa) Extensión y corrección de datosHabitualmente, los registros pluviométricos poseen errores en la captación de datos oexisten vacíos estadísticos que requieren corregirse o ajustarse.Para solucionar lo anterior, se puede utilizar el método de las Curvas de Doble MasaAcumuladas1, el cual consiste en definir un conjunto de estaciones en función al área deinterés. Los datos de las estaciones se ordenan desde el año más reciente, que seentiende como el más confiable, hasta el más antiguo.1 Elementos de Hidrología, Espíldora y Brown, Universidad de Chile, 1976.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-12
  14. 14. La siguiente expresión, se utiliza para correlacionar datos: P j,i = tg  PPatrón,iDonde: Pj,i : Valor de la precipitación de la estación j para el año i tg : Tangente del ángulo formado por recta Ppatrón : Valor de la precipitación de la estación patrón en el año iEl resultado del método graficado en la Figura 2.2, indica que ambas estacionesseñaladas en el cuadro 4.1, no se pueden correlacionar, porque el valor del coeficiente dedeterminación es cercano a cero (R2=0.0246). Por lo anterior y debido a la mayor cercaníade las cuencas a la estación Sewell, se consideró adecuado utilizar sólo esta estaciónpara el análisis de la pluviometría y estimación de caudales. Figura Nº 2.2-2 Correlación entre estaciones Correlación 200 y = 0,3054x + 73,386 180 160 140 120 Sewell Precipitación 100 Tendencia 80 60 40 2 R = 0,0246 20 0 0 50 100 150 Rancagua Fuente: Elaboración propiab) Análisis de datos dudososSi bien es cierto no está incorporado al Manual de Carreteras, es recomendablecorroborar los valores de las estaciones. Una herramienta estadística es la que aporta elmétodo de la Water Resources Council2. Los datos dudosos son puntos de la informaciónque se alejan significativamente de la tendencia de la información restante.2 Hidrología Aplicada, Ven Te Chow, McGrau Hill, 1993.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-13
  15. 15. La retención o eliminación de estos datos puede afectar significativamente la magnitud delos parámetros estadísticos calculados para la información, especialmente en muestraspequeñas.Las ecuaciones para aplicar el método de datos dudosos, son las siguientes: Para datos altos: yH = y + ( K n  S y ) Para datos bajos: yL = y - ( K n  S y )Donde: yH : Banda superior de los logaritmos en base e de los valores. yL : Banda inferior de los logaritmos en base e de los valores. ỹ : Media aritmética de los logaritmos en base e de los valores. Kn : Coeficiente que depende del tamaño de la muestra. Sy : Desviación estándar de los logaritmos en base e de los valores.En el siguiente Cuadro Nº 2.2 se muestran las variables del método para la estación enestudio. Tabla Nº 2.2-2 Variables del método datos dudosos Estación N y.H. y.L. K ymedio Sy Sewell 51 2.3852 1.4465 2.7752 1.916 0.169 Fuente: Elaboración propiaEn Anexo Nº7 de este informe hidrológico, se muestran los datos de la estación Sewell ylos resultados del método.c) Método de WeibullEl procedimiento consiste en ordenar los valores de la precipitación máxima en 24 horasanuales de la estación en estudio, de mayor a menor y designando con "m" el número deorden asignado a cada valor y con "N" el total de datos de la estadística. La probabilidadde excedencia (P) de que este valor sea igualado o superado queda definido enporcentaje, por la expresión de Weibull:PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-14
  16. 16. m P  100 N 1Se define el período de retorno (T) como el valor inverso a la probabilidad de excedencia: 1 T PEn el Anexo Nº8, se muestran los resultados del método de Weibull para la estación enestudio.d) Análisis de frecuencia de precipitacionesUna vez que la estación ha sido ajustada, se aplican sobre ella los métodos dedistribución empleados comúnmente en estudios hidrológicos en nuestro país, con elobjeto de determinar el caudal de diseño de las cuencas en estudio. Dichas distribucionesson las siguientes: distribución Normal, distribución Log-Normal, distribución Gumbel,distribución Gamma y distribución Log-Pearson tipo III.d.1) Distribución normalLa distribución Normal tiene la siguiente ecuación: P24  X prom  z  S x TDonde: Xprom : Promedio de la serie de precipitaciones máximas. Z : Variable aleatoria normal estandarizada asociada a la probabilidad. Sx : Desviación Standard de la serie.d.2) Distribución log-normalLa distribución Log Normal tiene la siguiente ecuación: Ln( P24 )  X prom  z  S x TDonde: Xprom : Promedio de la serie de logaritmos de las precipitaciones. Z : Variable aleatoria normal estandarizada asociada a la probabilidad.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-15
  17. 17. Sx : Desviación Standard de los logaritmos de las precipitaciones de la serie.d.3) Distribución GumbelEsta función de distribución acumulada está dada por la expresión:  a ( x u ) P  e eEn que: P : Probabilidad de la variable. A : Parámetro de dispersión. U : Moda de la distribución.Así: 1   1  Pu   Ln  Ln1      a   T En que: Yn u  x prom  S x  Sn Sn a Sx 2    xi  x prom  Sx    n 1Donde: Xi : Lluvias máximas o caudales instantáneos extremos anuales en 24 horas. Xprom : Promedio de la muestra. N : Número de la muestra. Sx : Desviación estándar de la muestra. Sn : Desviación estándar de la variable reducida.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-16
  18. 18. Los parámetros de la variable reducida son sólo función del tamaño de la muestra ypueden obtenerse del siguiente Cuadro: Tabla Nº 2.2-3 Parámetros de la variable reducida Tamaño de Valor Desviación Muestra (n) Medio Estándar (años) Yn Sn 10 0.50 0.95 15 0.51 1.01 20 0.52 1.06 25 0.53 1.09 30 0.54 1.11 35 0.54 1.13 40 0.54 1.14 50 0.55 1.16 60 0.55 1.17 70 0.55 1.19 100 0.56 1.21 Fuente: Elaboración propiad.4) Distribución GammaLa distribución Gamma tiene la siguiente ecuación: b/  1 (  ) -  -1 -x F (b) = P(xb) = x e dx Donde:  : Valor inverso del cuadrado del coeficiente de varianza.  : La razón entre la desviación estándar al cuadrado y el promedio.d.5) Distribución Log Pearson tipo III.La distribución Log Pearson III tiene la siguiente ecuación: Log ( P24 )  x prom  k  S x TDonde: xprom : Promedio de la serie de precipitaciones máximas. K : Factor de frecuencia. Sx : Desviación Standard de la serie. Coeficiente de asimetría, como se observa en la siguiente G : ecuación:PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-17
  19. 19.  S x   Log ( x i )  Log ( x prom )  n n g 3 n  n  1 n  2 i 1Se entrega en el cuadro siguiente un resumen de las precipitaciones obtenidas para laestación en estudio, con la aplicación de las distintas distribuciones analizadas: Tabla Nº 2.2-4 Resumen de precipitaciones Sewell Precipitaciones Máximas en 24 hrs. 2 5 10 25 50 100 Distribución P 24 P 24 P 24 P 24 P 24 P 24 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Normal 88,40 115,95 130,35 145,71 155,63 164,55 Log-Normal 82,39 114,35 135,71 162,92 183,32 203,86 Gumbel 83,27 115,18 136,32 163,02 182,83 202,49 Gamma 84,40 114,13 132,08 153,13 167,80 181,72 Log-Pearson Tipo III 84,72 114,93 132,81 153,28 167,19 180,10 Fuente: Elaboración propiaA continuación, se detalla el análisis de la prueba de bondad, con la cual se determina ladistribución que mejor representa al estudio.e) Prueba de bondadLa prueba del Chi-Cuadrado es un método estadístico que sirve para determinar ladistribución que mejor ajuste tiene con la serie de precipitaciones obtenidas por medio deuna estación pluviométrica y/o fluviométrica. Luego de haber obtenido la distribución máscercana a la serie real, es posible calcular las precipitaciones para distintos períodos deretorno.El procedimiento aplicado al caso de una variable hidrológica y para cada distribuciónanalizada, es el siguiente: Se divide el rango de variación de la muestra de N valores en k intervalos de clase con lo que se define un histograma de la muestra. A partir de este histograma, se determina la frecuencia absoluta de los valores observados (fi) para cada uno de los intervalos. A continuación, se adopta la hipótesis que la muestra corresponde a una cierta distribución conocida con densidad de frecuencia f(x). Si se designa con (ci) a las fronteras de clase del histograma, las frecuencias absolutas esperadas (ei) para cada clase y para la distribución elegida, vienen dadas por:PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-18
  20. 20. ei = N * ( F( ci ) - F( ci-1 ) ) ó ci ei = N *  f(x) * dx c i-1 Donde N es el número de valores de la muestra y F(ci-1) y F(ci) son las fronteras de clase i. Si la hipótesis adoptada es la adecuada, es decir, si la función de densidad de frecuencia es la correcta, podemos aplicar el siguiente teorema estadístico: i-k 2 ( f i - ei )  2 =  i-1 ei Se aproxima a una distribución Chi-cuadrado (2) con v = k - s - 1 grados de libertad, donde s es el número de parámetros de la distribución elegida. Para el caso nuestro, con un 95% de nivel de confianza y v = 2 grados de libertad, el valor tabulado de la función 2 es de 5.99.A continuación, en el siguiente Cuadro, se muestran los valores de 2 obtenidos al aplicarel test de bondad en la estación pluviométrica de estudio. Tabla Nº 2.2-5 Resultados de la prueba de Chi Cuadrado Distribuciones Estación Norm Log- Gumb Gamm Log-Pearson al Normal el a Tipo III Sewell 1.41 1.13 1.07 0.69 0.8 Fuente: Elaboración propiaDe los resultados mostrados se observa que todas las distribuciones están bajo el valorteórico de 2. Por lo tanto, la distribución que presente un menor valor real de 2 seráadoptado en este estudio, en este caso la Distribución Gamma.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-19
  21. 21. 2.2.2.4 Precipitación de diseñoAl seleccionar el tipo de distribución, se procede a calcular la precipitación de 24 horaspara un período de retorno de 10 años3. El resultado es amplificado en un 10% debido aque, normalmente, las 24 horas de mayor precipitación no coincide con el intervalo detiempo de medición, que es entre las 8:00 y las 20:00 Hrs.De este modo, los parámetros para la estación pluviométrica son los que se muestran enel Cuadro Nº 2.6. Tabla Nº 2.2-6 Precipitaciones de diseño amplificada por el factor k=1.1 para 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años Precipitaciones Máximas en 24 hrs. Estación 2 5 10 25 50 100 P 24 P 24 P 24 P 24 P 24 P 24 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Sewell 92,84 125,54 145,29 168,44 184,58 199,90 Fuente: Elaboración propia2.2.2.5 Intensidad de diseñoLa determinación de las curvas intensidad-duración-frecuencia (I.D.F.), es de importanciapara la aplicación posterior del método racional en el cálculo de caudales. La siguienteexpresión, se utiliza para calcular la intensidad de diseño: Pt It = tDonde: It : Intensidad en mm/h correspondiente a una precipitación de duración "t" horas. Pt : Precipitación de duración "t" horas. t : Duración de la tormenta de diseño, en horas.Como sólo se dispone del dato de la lluvia máxima en 24 horas, se debe recurrir a loscoeficientes de duración (CDt) del Manual de Carreteras, Tabla 3.702.403 A y B, paraconocer la lluvia de duraciones diferentes. En el caso del camino en estudio se adopta elcorrespondiente a la estación pluviométrica San Fernando.3 Manual de Carreteras, Volumen 2 y 3, Ministerio de Obras Públicas.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-20
  22. 22. El Cuadro Nº 2.7 muestra las intensidades para distintos períodos de retorno y variasduraciones, con las que se obtuvo las curvas I.D.F. Tabla Nº 2.2-7 Intensidades de diseño INTENSIDAD MINUTOS CDt T=2 T=5 T=10 T=25 T=50 T=100 T=200 5 0,035 38,8 52,4 60,7 70,3 77,1 83,5 89,6 10 0,054 30,1 40,7 47,1 54,6 59,8 64,8 69,5 15 0,068 25,4 34,3 39,8 46,1 50,5 54,7 58,7 30 0,095 17,6 23,8 27,5 31,9 35,0 37,9 40,7 60 0,120 11,1 15,1 17,4 20,2 22,1 24,0 25,8 90 0,161 10,0 13,5 15,6 18,1 19,9 21,5 23,1 120 0,200 9,3 12,6 14,5 16,8 18,5 20,0 21,5 240 0,330 7,7 10,4 12,0 13,9 15,2 16,5 17,7 360 0,430 6,7 9,0 10,4 12,1 13,2 14,3 15,4 480 0,520 6,0 8,2 9,4 10,9 12,0 13,0 13,9 600 0,610 5,7 7,7 8,9 10,3 11,3 12,2 13,1 720 0,680 5,3 7,1 8,2 9,5 10,5 11,3 12,2 840 0,730 4,8 6,5 7,6 8,8 9,6 10,4 11,2 1080 0,850 4,4 5,9 6,9 8,0 8,7 9,4 10,1 1440 1,000 3,9 5,2 6,1 7,0 7,7 8,3 8,9 Fuente: Elaboración propia Figura Nº 2.2-3 Grafico de curvas I.D.F. 100 90 80 70 Intensidad mm/hr 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Tiempo hr. T=2 años T=5 años T=10 años T=25 años T=50 años T=100 años T=200 años Fuente: Elaboración propiaPC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-21
  23. 23. 2.2.3 Caudales de diseño2.2.3.1 GeneralidadesPara estimar caudales en una cuenca sin registros fluviométricos, se utilizan métodosindirectos que incorporan a la precipitación como una variable clave para determinar elgasto de agua en función del período de retorno.Tal como se mencionara anteriormente, para determinar los caudales solicitantes seocupará el método Racional, toda vez que las áreas de las cuencas son inferiores a 20Km².Para la aplicación del método de cálculo de caudales, es necesario calcular previamentelos siguientes parámetros:a) Coeficiente de escorrentíaEste parámetro depende de las características geomorfológicas del sector a analizar, porejemplo: la topografía, la vegetación, la capacidad de almacenamiento, etc. Por tal motivo,depende fundamentalmente de la inspección del terreno y puede ser diferente para cadacuenca.Una vez reconocido el terreno, se emplea la Tabla 3.702.503.B del Manual de CarreterasVol. 3 para definir el valor de este coeficiente. El Cuadro Nº 2.8 muestra los rangos devalores adoptados para definir el coeficiente de escorrentía. Tabla Nº 2.2-8 Coeficiente de escorrentía Factor Valor Relieve del terreno 0.20-0.28 Permeabilidad del suelo 0.08-0.11 Vegetación 0.08-0.12 Capacidad de almacenaje de 0.08-0.11 agua Coeficiente 0.44-0.62 Fuente: Elaboración propiaEste valor corresponde a un periodo de retorno de 10 años. Para obtener el coeficiente deescorrentía asociado a un periodo de retorno mayor, hay que amplificarlo de acuerdo a lasiguiente tabla (Manual de Carreteras, Vol. 3, Tabla 3.702.503B):PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-22
  24. 24. Tabla Nº 2.2-9 Coeficiente de escorrentía T (años) Factor 25 1.10 50 1.20 100 1.25 Fuente: Elaboración propiab) IntensidadLa intensidad de la lluvia se obtiene de la Figura Nº 2.2, previo cálculo del tiempo deconcentración, el que se determina mediante varios métodos: La fórmula de Giandotti, serecomienda para cuencas pequeñas de montaña (inferiores a 200 hás). En cuencasmedianas a grandes se pueden utilizar las fórmulas propuestas por California Culverts ypor la U.S. Navy Technical Publications Navdocks.Finalmente, los tiempos de concentración mediante estas expresiones son sometidos ajuicio, para seleccionar aquellos que expresen valores razonables en relación con loobservado en terreno.c) Áreas aportantesLa determinación del área aportante se realiza de acuerdo a la geometría del proyecto y latopografía del lugar.En el Anexo Nº5 del informe hidrológico, se muestra el plano de cuencas aportantes,realizado con la cartografía del IGM escala 1:50.000.d) Tiempos de concentraciónPara el cálculo del tiempo de concentración se utilizarán fórmulas empíricas, tales como: California Culverts: 0 , 385  L3  T c = 57    H Giandotti: Tc= 4  A  + 1,5  L  0,8  HMPC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-23
  25. 25. En forma adicional, el método de Giandotti debe verificar la siguiente condición: L L  tc  3,6 5,4 Navdocks: L Tc= V  3,6En que: Tc : Tiempo de concentración, expresado en horas. L : Longitud del cauce principal, en km. A : Área del sector analizado, en km2. HM : Desnivel entre la salida y la cota del centroide, en m. H : Desnivel entre la salida y el punto más alejado del sector analizado, en m. V : Velocidad media de escurrimiento, que depende de la pendiente general de la cuenca, de acuerdo al Cuadro Nº 2.10. Tabla Nº 2.2-10 Velocidades de Navdocks Pendiente Velocidad (%) (m/s) <1 0,3 1-2 0,6 2-4 0,9 4-6 1,2 6 - 10 1,5 Fuente: Elaboración propiaNo se contempla considerar tiempos de concentración inferiores a 15 minutos, para evitarintensidades excesivas de lluvia, y por lo tanto irreales con respecto a lo observado enterreno. En general, se ocupa el menor tiempo de concentración que se obtiene de lasexpresiones usadas, para diseñar las obras por el lado de la seguridad.A continuación, una breve descripción del método precipitación-escorrentía, ocupado enel presente estudio:PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-24
  26. 26. e) Método RacionalLa fórmula Racional es un método ampliamente conocido en hidrología. Este métodorelaciona el empleo de coeficientes de escorrentía que mayor se ajustan a los resultadosde los análisis de frecuencias efectuados en el estudio desarrollado para su elaboración.Por lo general, esta ecuación funciona relativamente bien en cuencas sin controlfluviométrico, con áreas menores a 20 Km2. Además, es aplicable para períodos deretorno inferiores de 100 años.El cálculo de caudales que se realiza a través del Método Racional, utiliza la fórmula quese expresa a continuación: C  I  A Q = 3.6En que: Q : Gasto máximo en crecida, en m3/s C : Coeficiente de escorrentía I : Intensidad máxima, correspondiente a una lluvia de duración igual al tiempo de concentración del sector analizado, en mm/hr. A : Superficie de la zona aportante, en km2.2.2.3.2 Cálculo de CaudalesUna vez obtenidos y calculados los parámetros de cada cuenca aportante, las que seilustran en la lámina del Anexo Nº5, se determinan los caudales solicitantes para cadauna de ellas, los que se presentan en el siguiente Cuadro. Se recuerda que estoscaudales están asociados a los 3 badenes proyectados en las quebradas mayores y a lasobras de arte del tramo IV, el que tiene carácter de proyecto definitivo. Para el resto de lasquebradas no se determinan caudales y las obras de saneamiento proyectadas sólo son anivel monográfico.PC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 2-25
  27. 27. Tabla Nº 2.2-11 Caudales de diseño, Método RacionalCUENCA AREA L H Hm i Tc It C Q It Q CALIFORNIA NAVDOCKS GIANDOTTI ADOP. T=25 T=10 T=25 T=50 T=50 CULVERTS L/3,6 Tc L/5,4 (Hás) (Km) (m) (m) (%) (min) (min) (min) (min) (min) (min) (mm/hr) (m3/s) (mm/hr) (m3/s) 1 417,00 7,369 1.500 900 20,4 34,3 - 122,8 48,1 81,9 34,3 29,44 0,55 20,63 33,02 25,24 2 177,90 4,251 1.250 850 29,4 19,5 - 70,9 30,1 47,2 19,5 40,74 0,55 12,18 45,70 14,91 3 451,72 5,181 1.400 1.000 27,0 23,4 - 86,4 38,6 57,6 23,4 36,73 0,55 27,88 41,20 34,12 4 30,76 1,319 660 190 50,0 6,4 - 22,0 22,8 14,7 15,0 46,92 0,55 2,43 52,63 2,97 5 3,39 0,452 280 100 61,9 2,6 - 7,5 10,6 5,0 15,0 46,92 0,55 0,27 52,63 0,33 4,36 0,562 310 90 55,2 3,2 - 9,4 13,3 6,2 15,0 46,92 0,55 0,34 52,63 0,42 6 3,32 0,363 230 90 63,4 2,2 - 6,1 10,1 4,0 15,0 39,37 0,55 0,20 (Q para T=10 años)La cuenca Nº5 tiene un caudal para la parte alta del camino y otro, un poco mayor, para la parte baja del camino.La cuenca Nº6 será desaguada por un contrafoso, por lo que su caudal se determina para T=10 años.. Fuente: Elaboración propiaPC/JPH/FGO 10/09/2010 Rev 2 Ingeniería Básica - Pág. - 26

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