Ministerio de Obras Públicas y Transportes Análisis hidrológico para la construcción de un edificio de 10 niveles

Transcripción

1 Ministerio de Obras Públicas y Transportes Análisis hidrológico para la construcción de un edificio de 10 niveles Plaza Víquez, San José Ing. Rafael Alfaro Solano Marzo, 2014

2 ÍNDICE GENERAL 1 Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Condición actual Caracterización climática de la zona de estudio Determinación de Caudales de Escorrentía Metodología utilizada Información hidrológica disponible Tiempo de concentración y tiempo de retardo Área tributaria Coeficientes de escorrentia Cálculo de caudales de escurrimiento Estructura de manejo de aguas Conclusiones Referencias... 15

3 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Caracteristicas climatologicas de las subregion Valle central Tabla 2. Uso de suelo actual y coeficiente de escorrentía asociado Tabla 3. Uso de suelo futuro y coeficiente de escorrentía asociado ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Ubicación de zona de estudio - hoja cartográfica Abra (1:50000)... 2 Figura 2. Uso de suelo de la propiedad según PRUGAM... 4 Figura 3. Resumen de distribución del uso de suelo antes del proyecto... 5 Figura 4. Fotografía de Distribución del uso de suelo antes del proyecto... 5 Figura 5. Fotografías de la estructura actual... 6 Figura 6. Subregión climática de la cuenca del río Palacios... 7 Figura 7. Curvas IDF Estación san José... 9 Figura 8. Ubicación de la estación y la zona de estudio Figura 9. Plan maestro del proyecto Figura 10. Coeficientes de escorrentía a utilizar con el método racional

4 Deslizamientos Estudios de suelos Pilotes preexcavados Consultoría en geotecnia Control de calidad de materiales San José, 12 de febrero de 2015 IG Señores Ministerio de Obras Públicas y Transportes Departamento de Proyectos y Diseños Dirección de Edificaciones Nacionales Atención: Ing. Álex Cubillo Campos Presente Estimado ingeniero: Nos complace presentarle el estudio hidrológico realizado por nuestra empresa, en las instalaciones del plantel del ubicado en el Barrio González Víquez del distrito 04 Catedral, cantón 01 San José, provincia 01 San José; sitio donde se proyecta la construcción de un edificio de 10 niveles incluyendo un sótano. Quedando en la mayor disposición de aclarar cualquier aspecto que considere necesario, nos despedimos. Atentamente; INGEOTEC S.A. Ingenieros Consultores Ing. Sergio Sáenz Aguilar; MSc. - Presidente - cc.: Archivo (IG ) Edificio 10 niveles San José centro.doc

5 1 INTRODUCCIÓN En atención a la solicitud formulada por el Ministerio de Obras Públicas y Transportes, se llevó a cabo el presente estudio hidrológico, en las instalaciones del plantel del ubicado en el Barrio González Víquez del distrito 04 Catedral, cantón 01 San José, provincia 01 San José; sitio donde se proyecta la construcción de un edificio de 10 niveles incluyendo sótano y azotea (Figura 1). Es de suma importancia para el estudio, planificación y manejo de los recursos hídricos la caracterización del comportamiento del agua en las áreas superficiales y subterráneas de la Tierra, además de conocer su distribución y circulación; en un área determinada. Ante cualquier proyecto de ingeniería, es responsable y necesario realizar diversos análisis y estudios, entre ellos un estudio hidrológico, con el propósito de determinar la posible afectación del proyecto al ambiente y a las condiciones previas al proyecto, de esta manera proponer obras u acciones menores que permitan minimizar dicha afectación. Ing Rafael Alfaro Solano pág. 1

6 FIGURA 1. UBICACIÓN DE ZONA DE ESTUDIO - HOJA CARTOGRÁFICA ABRA (1:50000) Ing Rafael Alfaro Solano pág. 2

7 1.1 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Realizar un análisis hidrológico para la determinación de la afectación de la construcción del edificio de 10 niveles del Ministerio de Obras Publicas y Transportes a las obras actuales en las que se dispone la escorrentía superficial, y en el caso de que se requiera la proposición de obras que minimicen la posible afectación OBJETIVOS ESPECÍFICOS Caracterizar física y climáticamente la cuenca en el punto de interés. Realizar un reconocimiento de las obras actuales de control de aguas pluviales en las zonas aledañas al proyecto. Determinar los caudales máximos para eventos de precipitación en la propiedad en análisis para las condiciones previas y después de desarrollado el inmueble. Ing Rafael Alfaro Solano pág. 3

8 2 CONDICIÓN ACTUAL El uso de suelo actual del terreno, según el levantamiento realizado por PRUGAM, indica que el terreno en análisis consiste en una Entidad Gubernamental y pública. Tal y como se presenta en la siguiente figura: FIGURA 2. USO DE SUELO DE LA PROPIEDAD SEGÚN PRUGAM HOJA CARTOGRÁFICA MARÍA AGUILAR (1:10 000) Con respecto a un análisis de imágenes aéreas se puede determinar la distribución de los usos locales que posee el lote en análisis. Ing Rafael Alfaro Solano pág. 4

9 17% 83% Zonas pavimentadas Estructuras techadas FIGURA 3. RESUMEN DE DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO ANTES DEL PROYECTO FIGURA 4. FOTOGRAFÍA DE DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO ANTES DEL PROYECTO Ing Rafael Alfaro Solano pág. 5

10 De las figuras anteriores, es importante comentar que actualmente la propiedad en análisis posee usos que impermeabilizaron completamente toda el área de la misma. En la figura siguiente se presentan fotografías de la propiedad en análisis. FIGURA 5. FOTOGRAFÍAS DE LA ESTRUCTURA ACTUAL Ing Rafael Alfaro Solano pág. 6

11 3 CARACTERIZACIÓN CLIMÁTICA DE LA ZONA DE ESTUDIO Según Solano y Villalobos (1997) Climatológicamente el sitio de proyecto se encuentra en la región Valle Central, específicamente en la subregión VC2 la cual se extiende desde el Alto de Ochomogo hasta Juan Viñas comprendiendo los valles del Guarco y de Orosí, hacia el Norte el límite es el Macizo del Irazú mientras que al Sur con la cordillera de Talamanca. (Figura 6). FIGURA 6. SUBREGIÓN CLIMÁTICA DE LA CUENCA DEL RÍO PALACIOS FUENTE: SOLANO Y VILLALOBOS, 1997 En general el clima de la subregión VC2 se considera de meseta central, las características climáticas de la subregión se presenta de forma resumida en la siguiente tabla: Ing Rafael Alfaro Solano pág. 7

12 TABLA 1. CARACTERISTICAS CLIMATOLOGICAS DE LAS SUBREGION VALLE CENTRAL 2 Precipitación media anual (mm) Temperatura máxima media anual ( C) Temperatura mínima media anual ( C) Temperatura media anual ( C) Días con lluvia promedio Periodo Seco (meses) FUENTE: SOLANO Y VILLALOBOS, DETERMINACIÓN DE CAUDALES DE ESCORRENTÍA 4.1 METODOLOGÍA UTILIZADA Como método para el cálculo de los caudales de diseño se utiliza el método racional, el cual es recomendado por el Código de instalaciones hidráulicas y sanitarias del Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos de Costa Rica (CFIA) y el Reglamento Técnico para Diseño y Construcción de Urbanizaciones del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA). En este método se obtiene el caudal (m 3 /s) de escurrimiento instantáneo máximo de descarga de una superficie de drenaje por medio de la siguiente relación: Donde: C: Coeficiente de escorrentía que representa la relación del ritmo de escurrimiento con respecto al ritmo de precipitación (adimensional) i : Intensidad de la lluvia asociada a una duración y a un período de retorno (mm/h) A: área de drenaje (m 2 ) En este caso es adecuado utilizar la fórmula racional, debido a que estamos analizando un área menores a los 5 km 2 ; si la superficie analizada fuera de mayor tamaño es necesario obtener el caudal por medio de un método basado en modelación hidrológica. 4.2 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DISPONIBLE Con el fin de encontrar la precipitación de diseño, se utilizaron los valores de precipitaciones de la estación pluviográfica San José. Para determinar los hietogramas de diseño se utilizó la relación intensidad-duraciónfrecuencia desarrollada por Murillo (1994) para la estación San José; la cual se puede representar por la siguiente ecuación: Ing Rafael Alfaro Solano pág. 8

13 Intensidad (mm/h) Análisis hidrológico para la construcción de un edificio de 10 niveles Donde: i : intensidad máxima (mm/hr). d : duración de la lluvia (min). TR: período de retorno (años) Duración (min) FIGURA 7. CURVAS IDF ESTACIÓN SAN JOSÉ Para determinar si la curva IDF estación San José debe corregirse para ser utilizada en el análisis hidrológico del sitio en análisis, se utiliza el mapa de Isoyetas generado por Vahrson y Dercksen en el año 1990, el cual fue determinado para precipitaciones con Ing Rafael Alfaro Solano pág. 9

14 periodo de retorno de 10 años y duracion de 15 min. El mapa y la ubicación de la zona de estudio y la estación se presentan en la figura siguiente: FIGURA 8. UBICACIÓN DE LA ESTACIÓN Y LA ZONA DE ESTUDIO MODIFICADO DE: VAHRSON Y DERCKSEN, 1990 Ing Rafael Alfaro Solano pág. 10

15 Por lo tanto, bajo el supuesto que el mapa es representativo para otros periodos de retorno y duraciones se puede apreciar que la estación San José puede representar climatológicamente el área de estudio. Para el caso particular de este análisis, se utilizará un período de retorno de diseño de 25 años, el cual es mayor que el recomendado como mínimo en la normativa nacional pero resulta apropiado para el análisis de estructuras pluviales de obras como la analizada. 4.3 TIEMPO DE CONCENTRACIÓN Y TIEMPO DE RETARDO. Para determinar la duración de la tormenta se debe calcular el Tiempo de Concentración, que es el tiempo que tarda el agua en viajar desde el punto más alejado de la cuenca hasta el sitio de análisis. Se dispone de diversas fórmulas para ello, cada una derivada para determinadas circunstancias que deben ser compatibles con las características del sitio que se pretende estudiar. Dado el tamaño del proyecto, se procede a utilizar como tiempo de concentración el valor mínimo estipulado en la regulación nacional de 10 minutos, dicho valor se toma como la duración de la tormenta de diseño. 4.4 ÁREA TRIBUTARIA Considerando el levantamiento topográfico del terreno en donde se construirá el desarrollo y el diseño de sitio del proyecto, se estableció que el área neta utilizable corresponde a la totalidad de la propiedad bajo estudio y tiene un área de 9964 m², es importante comentar que el hecho de que el proyecto es pequeño y debido a la topografía del sitio se realiza el análisis para una única área tributaria. Ing Rafael Alfaro Solano pág. 11

16 FIGURA 9. PLAN MAESTRO DEL PROYECTO Ing Rafael Alfaro Solano pág. 12

17 4.5 COEFICIENTES DE ESCORRENTIA Para considerar el cambio en el uso del suelo del proyecto, se utilizan los coeficientes de escorrentía, los cuales representan la fracción de la precipitación que escurren de manera directa. Para la determinación de estos coeficientes es necesario conocer la distribución que tendrá la propiedad luego de que se desarrolle el proyecto; para esto se utiliza la distribución en planta del proyecto presente en la figura anterior, posteriormente se procede a comparar los datos de uso y cobertura de suelo actual y futuro con los datos presentes en la figura siguiente tomada del libro Hidrología Aplicada (Chow y otros, 1994) y en la normativa nacional (Código de Instalaciones hidráulicas y Sanitarias, Manual de fraccionamientos del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados). FIGURA 10. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA A UTILIZAR CON EL MÉTODO RACIONAL. FUENTE: CHOW, MAIDMENT Y MAYS, En las tablas siguientes, se presentan la discretización de los diferentes usos de suelo que tendrá el terreno del proyecto tanto para la condición actual como luego de desarrollado el Ing Rafael Alfaro Solano pág. 13

18 proyecto, así mismo se presentan los coeficientes de escorrentía asociados a estos usos de suelo. TABLA 2. USO DE SUELO ACTUAL Y COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA ASOCIADO Uso Zonas pavimentadas Estructuras techadas Área Coeficiente de escorrentía , ,88 Coeficiente de escorrentía Ponderado 0,863 TABLA 3. USO DE SUELO FUTURO Y COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA ASOCIADO Uso Zonas pavimentadas Estructuras techadas Área Coeficiente de escorrentía , ,88 Coeficiente de escorrentía Ponderado 0, CÁLCULO DE CAUDALES DE ESCURRIMIENTO En la tabla siguiente se resumen los resultados del caudal para los escenarios propuestos: Condición Actual Condición Futura Coeficiente de escorrentía ponderado Intensidad de la precipitación (mm/h) Caudal de escurrimiento (m 3 /s) Caudal de escurrimiento (l/s) 0, , ,7 0, , ,2 5 ESTRUCTURA DE MANEJO DE AGUAS Mediante una visita al sitio y dada la ubicación de la propiedad en estudio, se determinó que actualmente la escorrentía del terreno se moviliza por la superficie del terreno hasta el Ing Rafael Alfaro Solano pág. 14

19 cordón y caño existente. Luego la misma se transporta en el sistema de alcantarillado pluvial existente. Dado que el cambio en las condiciones superficiales del proyecto no alteran significativamente la capacidad de infiltración del terreno (ya que actualmente se encuentra impermeabilizado en su totalidad), el proyecto en sí no generará afectación a las estructuras actuales, ya que los caudales máximos esperados son relativamente iguales. 6 CONCLUSIONES Se caracterizó la climatológicamente el área de proyecto y se realizó una recopilación de información hidrológica con el fin de determinar las caudales de diseño. Actualmente el terreno en análisis posee un uso de techos y pavimentos, mismo que no cambiará cuando se desarrolle el proyecto. Se determinó el caudal para las condiciones antes y después de desarrollado el proyecto, y se encontró que con la construcción del mismo no generará una mayor afectación a las estructuras hidráulicas existentes, debido a que el proyecto no produce una impermeabilización mayor al terreno. 7 REFERENCIAS Aparicio, F. (1992). Fundamentos de hidrología de superficie. Mexico, D.F.: Limusa. Chow, V. t., Maidment, D., & Mays, L. (1994). Hidrología aplicada. Bogotá: Mc Graw Hill. Porras, P. (2011). Notas Hidrología. San José: Universidad de Costa Rica. Serrano, A. (2011). Notas Hidrología. San José: Universidad de Costa Rica. Solano, J., & Villalobos, R. (sf). Regiones y Subregiones climáticas de Costa Rica. Instituto Meterológico Nacional. USACE. (2000). HEC-HMS Hydrologic Modeling System Technical Reference Manual. Davis, California. USACE. (2010). HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Davis, California. Vahrson, G., & Dercksen, P. (1990). Intensidades Críticas de Lluvia para el diseño de obras de conservación de suelos en Costa Rica. Agronomía Costarricense, Número 14 - Volumen 2. Vahrson, G., Alfaro, M., & Arauz, I. (1992). Curvas de intensidad duración frecuencia para los centros urbanos más importantes de Costa Rica. San José: IV Congreso Nacional de Recursos Hidráulicos. Ing Rafael Alfaro Solano pág. 15