Caracteristicas Hidrologicas en puentes

8/16/2019 Caracteristicas Hidrologicas en puentes

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ESTUDIO HIDROLÓGICO - HIDRÁULICO

“PROYECTO DE DISEÑO ESTRUCTURAL

DEL PUENTE VEHICULAR SOBRE EL RIO ACHUMA”

1 INTRODUCCIÓN

El presente estudio hidrológico hace referencia a un análisis hidrológico detallado aplicado

a drenajes mayores, para el caso particular este análisis se aplicará al proyecto.

Antes de proceder a realizar el análisis correspondiente para los drenajes mayores, se

presenta los parámetros generales que serán utilizados en dichos estudios.

2 PARÁMETROS PARA EL ESTUDIO HIDROLÓGICO .

Fuene !e "n#$%&'(")n

Se tuvo acceso a información meteorológica de una estación uicada en cercan!as de la

zona de proyecto, más espec!ficamente a la estación Sull"atiti, en la tala # se presenta

algunas caracter!sticas de dicha estación

Tabla1: Característica de la estación meteorológica Sullkatiti

E*'(")nL'"u!

Su%

L$n+"u!

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E*'(")n '!$0'!' 0'%' e, e*u!"$ "!%$,)+"($

eido a que la estación Sull"atiti es la más cercana a la zona de proyecto

asemejándose en caracter!sticas hidrometereológicas y al no contar con datos

hidrometereológicos en la zona de proyecto, se adoptan los datos de dicha estación para

llevar adelante el presente estudio hidrológico, en el cuadro 2, se presenta la información

hidrológica /precipitaciones má0imas diarias anuales1 de la estación metereológica

Sull"atiti.



An2,"*"* e*'!3*"($ !e !'$* "!%$,)+"($*

'4 Me!"'

X =∑i=1

n

x i

n

onde

X 3recipitación pluvial media /mm1.

xi

atoi

del grupo de valores /mm1.n 45mero de datos en el grupo.

54 De*"'(")n e*2n!'%

σ x=∑i=1

n

( xi− X )2

n−1

onde

σ x esviación estándar del grupo de valores.

X 3recipitación pluvial media /mm1.

xi

ato

i

del grupo de valores /mm1.n 45mero de datos en el grupo.

C2,(u,$ !e 0%e("0"'("$ne* 0'%' 0e%"$!$* !e %e$%n$



El periodo de retorno será el tiempo transcurrido entre dos precipitaciones de igual

o mayor magnitud. 3ara el cálculo de la precipitación pluvial má0ima para

diferentes periodos de dise6o se emplearan las ecuaciones de distriución de la

7ey de Gumbel por ser este el modelo que mejor se adapta a los requerimientos

del dise6o y proporcionar mayor, seguridad al dise6o de la estructura.

(4 Le6 !e Gu&5e,

F ( x )=ee−αx( x− μ)

Sea

α =√ 6

π × σ x y μ= X −0,5772×α

Entonces, reemplazando las ecuaciones en la ecuación, y despejando la variale

0, se otiene

X = X Ti= X +( σ x ×√ 6×0,5772 )−σ x ×√ 6× ln (−ln ( F ( x ) ))

π

onde

X = X Ti 8alor de la precipitación pluvial para un periodo de retorno i /mm1.

X : Precipitación pluvial media (mm).

σ x : Desviación estándar del grupo de valores.

F ( x ) 9unción de distriución acumulativa igual a P ( x ≤ x ) .

α 3arámetro de escala.



μ :odo o parámetro de localización.

E(u'(")n !e "nen*"!'! !e ,,u"'

7a relación de altura de precipitación y tiempo de duración se otiene la

intensidad equivalente para 2;, #<, #2, <, (, , *, 2 y # horas. Aplicando para

cada caso la ecuación

I = P [ mm]t duraci ó n [hr ]

7a representación matemática de las curvas =ntensidad - uración - 3er!odo de

retorno, seg5n >ernard es

I =a×T

b

t c

onde

• = =ntensidad /mm?hr1• t uración de la lluvia /min1• @ 3eriodo de retorno /a6os1• a,,c 3arámetros de ajuste

ealizando un camio de variale d=a× T b

Entonces

I =d

t c

An2,"*"* !e, ('u!',



Bna vez estimadas las precipitaciones má0imas para determinados periodos de

retorno por los mCtodos proail!sticos, se precedo con el cálculo de las crecidas

má0imas proales de la cuenca.

El cálculo del caudal dependerá de la magnitud de la cuenca se utilizará el

:Ctodo acional

3ara un má0imo periodo de retorno de #)) a6os se emplea la siguiente ecuación

I l= 1523,37

( t c ×60−4,9508 )0,8892

onde

I l =ntensidad de la precipitación pluvial /mm?h1.

t c @iempo de concentración de la cuenca /horas1.

!4 M7$!$ R'("$n',

Este mCtodo se asa en el área de la cuenca, de la intensidad de la precipitación

pluvial y del coeficiente de escorrent!a del r!o.

7a ecuación general es

Q=2,78×C × I l × A

onde

Q $audal del r!o para un periodo de retorno @ /m*?s1.

I l =ntensidad media de la lluvia en periodo t /mm?h1.

A Drea de la cuenca /"m21.



C $oeficiente de escorrent!a.

14 T"e&0$ !e ($n(en%'(")n

Se utilizarán dos fórmulas tipo para hallar el tiempo de concentración, y se aplicará

el promedio de amas para el cálculo del caudal

• 9órmula de irpich

t c=0.06626×( L2

S )0.385

• 9órmula de 3izarro

t c=0.126×( L

S0.25 )

0.75

onde

tc tiempo de concentración, h.

7 longitud del cauce principal al punto de salida, m.

S pendiente del cauce principal, m?m.

84 Pe%"$!$ !e %e$%n$ e "nen*"!'!e*9

El criterio empleado en el proyecto para la fijación del per!odo de retorno es el

riesgo a asumir por el caso de que la ora llegase a fallar dentro de su tiempo de

vida.

El per!odo de retorno puede ser calculado por la siguiente relación





Pastos-

Vegetación

ligera

'mpermeabl

e

#.*" #.*# #."" #."# #.+"

emiperme

able

#."" #."# #.+" #.+# #.,"

Permeable #.," #.,# #.%" #.%# #.&"

ierba-grama

'mpermeable

#.*# #."" #."# #.+" #.+#

emiperme

able

#."# #.+" #.+# #.," #.,#

Permeable #.,# #.%" #.%# #.&" #.&#/os0ues-

vegetación

densa

'mpermeabl

e

#."" #."# #.+" #.+# #.,"

emiperme

able

#.+" #.+# #.," #.,# #.%"

Permeable #.%" #.%# #.&" #.&# #.#"

7a caracter!stica de la cuenca de la zona de proyecto, corresponde a suelo

permeale, de coertura vegetal Fiera, grama, con una pendiente de terreno

despreciale.

P%$#un!"!'! !e ,' *$(''(")n;

eterminar la socavación es imprescindile en primer lugar porque es necesario

determinar si las fundaciones son lo insuficientemente profundas para quedar a

salvo del alcance de la erosión provocada por la socavación, y en segundo

tCrmino a5n cuando la profundidad de fundación no vaya a ser alcanzada por la

erosión, es necesario que el proyectista estructural conozca cual será la longitud

m!nima de empotramiento de sus fundaciones para dimensionar.

3or lo tanto, se considera imprescindile efectuar el cálculo de socavación en el

puente a dise6ar para el proyecto.

Se utilizara la formula de 7ischtvan 7eediev, en un cauce definido y suelos no

cohesivos.



! "=( α×!#

5

3

0.68× $ × dm0.28 )

1

(1+ x) α =( Qd

! m

5

3 × % e × μ )

onde

Fs @irante supuesto, para el cual se desea conocer el nuevo valor de la

velocidad /m1.

G $oeficiente de distriución del gasto.

Hd Iasto de dise6o /m*?s1.

Fm @irante medio de la sección /m1.

J $oeficiente de contracción.

>e Ancho efectivo de la superficie lire /m1.Fo @irante antes de la erosión /m1.

K $oeficiente de paso

dm iámetro medio de los granos del fondo /mm1.

0 E0ponente variale que depende del peso volumCtrico.

Sg Socavación general /m1

Ah Drea hidráulica /m21

S$(''(")n ', 0"e !e, e*%"5$

Este mCtodo se dee a Artamonov, e indica que la socavación al pie de un estrio

medida desde la superficie lire de la corriente está dada por

S¿= ! &× P' × Pα × ( P ( −1)

onde

S7E Altura de socavación localizada en estrios /m.1

Fo @irante de la zona cercana al estrio antes de erosión /m.1

3L $oeficiente que depende de la relación H#?H.

3q $oeficiente que depende de la relación H#?H.



3 $oeficiente que depende del talud de los lados del estrio.

H# Iasto teórico que pasar!a por el lugar ocupado por el estrio, si este

no e0istiera.

H Iasto total que escurre por el rio /m*?s.1

M Se considera que el tirante en el estrio es la mitad de Fo

D$(u&en'(")n Re=ue%"!';

7os estudios deerán ser documentados mediante un informe que contendrá

• $aracter!sticas del r!o en la zona del proyecto.• Cgimen de caudales.•

$aracter!sticas hidráulicas.• $audal de dise6o y periodo de retorno.• efinición de la luz del puente y de los niveles del fondo de la

superestructura.• 3rofundidad m!nima recomendale para la uicación de la cimentación,

seg5n el tipo de cimentación.• $aracter!sticas de las oras de defensa y de encauzamiento.• $onclusiones y ecomendaciones.

: CARACTER>STICAS HIDROLÓGICAS DE LA ?ONA

Ane(e!ene*

7os antecedentes consultados en la revisión son

• $artas topográficas elaoradas por el =nstituto Ieográfico :ilitar a escala

#),))) de la zona de proyecto y de sus cuencas de aporte.• 3recipitaciones má0imas diarias mensuales y precipitaciones má0imas

anuales en la estación de 8iacha en el per!odo #++) N 2)). Estos datos

fueron facilitados por el SE4A:F=.

3ara el estudio hidrológico se siguió el siguiente esquema



• Análisis de la información hidrometeorológica disponile en la zona de

estudio.• Estudio y evaluación de las caracter!sticas fisiográficas del medio.• Estimación de los parámetros hidrológicos de dise6o.•

Estimación hidráulica de la capacidad de la ora.

7a información hidrológica provista para el municipio de Oes5s de :achaca nos

proporciona el caudal de dise6o para un periodo de retorno de ) a6os el cual

será de 2,*2 /m*?s1.

E*"&'(")n !e ,' 0%e("0"'(")n &2@"&' 0%$5'5,e

eido a la falta de pluviógrafos en las estaciones pró0imas al sitio de proyecto,

que permitan una determinación directa de las curvas de intensidad - duración -

frecuencia, se traajó sore la ase de registros de má0imas precipitaciones

diarias. 7a serie anual de má0imos utilizada en los cálculos es la correspondiente

a la estación de Sull"atiti.

TABLA REGISTROS PLUVIOMTRICOS ESTACIÓN SULLATITI

1stación

ull2atiti

Altitud

:

,3%% m.s.n.m

Temperatura

media :&#4C

5atitud ud : &*4+"6&"75ongitud 1ste

:*4+*6,*7

8

9

Ao

Mes

Ma;.

Precip.

Precipitación

(mm)

x i ( x i− x)2

& &33# D'C &-## &,-%&% &33& 181 %-*# +-*", &33% D'C %#-,# 3-+%+ &33, 181 #-%# %"++-"



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%Promed

io%3-*

S=√∑i=1

n

( x i−´ x )2

n−1 =15.36mm

α =√ 6

π ×S=11.98mm

μ=´ x−0.5772× α =22.84mm

F ( x)=e−e

−( x− μ

α )

TABLA CÁLCULO DE LAS LÁMINAS PARA DISTINTAS FRECUENCIAS

Periodo de Variable Precipitación Prob. de Corrección



=etorno =educida (mm) ocurrencia intervalo @oAos BT T(mm) <(;T) T (mm)

% #.,**" %.%,,& #."### ,#.,"" &.+333 +.#** #.### +*.&&&"&# %.%"#+ +3.3,+ #.3## "*.%***

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E(u'(")n !e "nen*"!'!

7as relaciones o cocientes a la lluvia de 2; horas se emplean para duraciones de

varias horas. afael Feras, en su liro PFidrolog!a y ecursos FidráulicosQ -

Edición #+<<, propone los siguientes cocientes

TABLA REPARTICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN MAIMA SEGUN EL TIEMPO DE DURACION DE LLUVIAS

td(Ers.) #-" & % , + " * &% & %+$ de

incidenci

a de la

Pma; en

%+ Ers.

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#-+

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#

#-3

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#

7as precipitaciones má0imas para diferentes tiempos de duración de lluvias, serán

otenidas como un porcentaje de los resultados de la precipitación má0ima

proale para 2; horas, para cada per!odo de retorno, diferentes porcentajes de

este valor seg5n los tiempos de duración de lluvia adoptados.

TABLA PRECIPITACIONES MÁIMAS PARA DIFERENTES TIEMPOS DE DURACION DE LLUVIAS

Tiempo de

Duración Cociente

P.M.P. (mm) par diFerentes tiempos de duración segGn Periodo

de =etorno

2 a6os a6os #)a6os

2a6os

)a6os

%a6os

#))a6os

2; hr x

24=100 ,#-

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+

>asándose en los resultados de la anterior tala, y los tiempos de duración

adoptados, calculamos la intensidad equivalente para cada caso, seg5n

I = P [ mm ]t duración [hr ]

TABLA INTENSIDAD DE LLUVIA PARA TIEMPOS DE DURACION Y PERIODOS DE RETORNO

Tiempo de

Duración 'ntensidad de la lluvia (mmHEr) segGn Periodo de =etorno

hr min 2 a6os a6os #) a6os 2 a6os ) a6os % a6os #)) a6os

2; &++# &-%

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3+

Aplicando la representación matemática para curvas de intensidad seg5n >ernard,

se efect5a la regresión potencial para diferentes periodos de retorno.

TABLA REGRESION POTENCIAL PARA UN PERIODO DE RETORNO T8 AÑOS

89 ; B ln ; ln I ln ; J ln I (ln ;)K%

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5

Ln (A) = ;,%%#% A = ##<,##%< B = -),(#+;

TABLA REGRESIÓN POTENCIAL PARA UN PERIODO DE RETORNO T AÑOS


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3 &%# *-&"+ +-" &-&% -*333 %%-3%#&



&# *# 3-%,%& +-#3+, %-%%% 3-&##+ &*-*,

10 4980 38,0772 58,1555 11,6947 62,5990 346,943

5

Ln (A) = ,#%(# A = #%(,+<+% B = -),(#+;

TABLA9 REGRESIÓN POTENCIAL PARA UN PERIODO DE RETORNO T 1 AÑOS


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&# *# &*-33 +-#3+, %-%*& &&-"&& &*-*,

10 4980 69,6205 58,1555 17,7292 97,6927 346,943

5

Ln (A) = ,*%# A = 2#,+(<) B = -),(#+;



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&# *# %#-%3, +-#3+, ,-#,&" &%-+&%% &*-*,

10 4980 85,4968 58,1555 19,7834 109,638

9

346,943

5

Ln (A) = ,<) A = 2(,2#%2 B = -),(#+;



TABLA9 REGRESION POTENCIAL PARA UN PERIODO DE RETORNO T AÑOS


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&# *# %,-"+3 +-#3+, ,-&*#* &%-3+#* &*-*,

10 4980 97,2746 58,1555 21,0740 117,144

4

346,943

5

Ln (A) = ,%)+( A = *)#,%*# B = -),(#+;

TABLA9 REGRESIÓN POTENCIAL PARA UN PERIODO DE RETORNO T AÑOS


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10 4980 85,4968 58,1555 19,7834 109,638

9

346,943

5

Ln (A) = ,%%%( A = *22,+<+2 B = -),(#+;



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Ln (A) = ,<2*# A = **<,)#+2 B = -),(#+;

TABLA9 RESUMEN DE APLICACIÓN DE REGRESIÓN POTENCIAL

Periodo de=etorno

(aos)

TLrmino ctte.de

regresión (d)

CoeF. deregresión

cN

% &&-&&

!#-*&3+&#

3%

" &*-33*3,&

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3%

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3%

&## ,,-#&3%%%+

!#-*&3+&#

3%

Promedio: %+-+,*,&3

!#-*&3+&#

3%

En función del camio de variale realizado, se aplica otra regresión de potencia

entre las columnas del per!odo de retorno /@1 y el tCrmino constante de regresión

/d1, para otener valores de la ecuación



d=a× T b

TABLA9 REGRESIÓN POTENCIAL

89 ; I ln ; ln I ln ; J ln I (ln ;)K%

& % &&-&& #-*3,& +-& ,-,#" #-+#"% " &*-33 &-*#3+ "-&*& -,,#* %-"3#,

, &# %&"-3*# %-,#%* "-,"& &%-,* "-,#&3

+ %" %*"-%&% ,-%&3 "-"#" &-3*,& &#-,*&%

" "# ,#&-",& ,-3&%# "-#3* %%-,,*& &"-,#,3

* " ,%%-33% +-,&" "-* %+-3++ &-*+#

&## ,,-#&3% +-*#"% "-%,& %*-&*+ %&-%#*

%* &,3-#"+% %#-*" ,-%&, &&*-#"% ,-*#

Ln (A) = 4,7059 A = 110,5927 B = 0,2552

@ermino constante de regresión /a1 R ##),+

$oef. de regresión /1 R ),22*

9inalmente se tiene la ecuación de intensidad válida para la Estación Fidrológica

Sull"atiti

I =110,5927×T

0 )25523390

t 0 )61941

Donde:

= =ntensidad de precipitación /mm?hr1

@ 3eriodo de etorno /a6os1

t @iempo de duración de precipitación /min1

TABLA9 INTENSIDAD - TIEMPO DE DURACION - PERIODO DE RETORNO

<recuencia aos

Duración en minutos" &# &" %# %" ,# ," +# +" "# "" *#

% +-

&,&-&

%+-**

%#-*+

&-3

&*-#*

&+-"3

&,-+,

&%-+3

&&-#

&&-#,

&#-+"

" *&-"

++#-#*

,&-&*

%*-#

%%-&

%#-%3

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&# ,-+

"+-&

,-&3

,&-&%

%-&&

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%#-%*

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&-*+

&*-*,

&"-*

%" 3%-

&*#-+&

+*-33

,3-,%

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,#-"3

%-#

%"-*#

%,-#

%%-%3

%&-#%

&3-3&

"# &&#-

%-&#

"*-#3

+*-3,

+#-

,*-"&

,,-&3

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%-+#

%*-*&

%"-#

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" &%%-

+3-3*

*%-%#

"%-#"

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+#-+3

,*-#

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%-%

%*-,*

&## &,%-

%#*-#*

**-3+

"*-#%

+-3

+,-"

,3-*&

,*-+*

,,-3#

,&-*

%3-3+

%-,

FIGURA9 CURVA PRECIPITACIÓN - TIEMPO DE DURACION - PERIODO DE RETORNO

4o contando con información sore niveles má0imos de los cursos de agua, el

parámetro de dise6o del puente fue el caudal má0imo proale para un periodo de

retorno de cincuenta /)1 a6os, verificando para #)) y 2)) a6os. El mCtodo que se

aplicó para el cálculo de caudales es el :Ctodo acional y la metodolog!a de

cálculo es la siguiente

CARACTER>STICAS HIDRÁULICAS DEL ESTRECHO

Se realiza el dise6o del puente curiendo las demandas hidráulicas como tamiCn

por la topograf!a del sector, si ien en Cpoca de estiaje el r!o no presenta un

caudal considerale, en Cpoca de lluvias tiene un caudal importante, se realizó

consultas a las personas más ancianas del sector por ser los testigos más

confiales para tomar en cuenta la altura del tirante que llega en Cpoca de lluvias.

M7$!$ R'("$n',;

Ecuación general: Q=2.78×C ×I × A



• Cuenca y área de aporte

el plano hidrológico se tiene el área de aporte

Cuenca A=1A

(m%) (2m%) (Ea)A ! & %*.,*3."%-+% %*., %.*,*-3"

• !iempo de concentración

Aplicando las fórmulas de irpich y 3izarro, utilizando la carta áreas de aporte se

otiene

TABLA; TABLA DEL TIEMPO DE CONCENTRACION;

$uenca

Drea 7$ota

Sup.

$ota

=nf.F S

@iempo de concentración tc

/min1

/"m21 /"m1 /m1 /m1 /"m1 /1irpic

h

3izarr

o3romedio

A - # 2(.*% 2#.*# ;2)) *+)) ).*) #.;#2#(.*

<

#((.%

%#+#.<

• "eriodo de retorno e intensidades

Btilizando la fórmula de retorno mencionada, se consigue

T = 1

1−(1− )1

n

• 3eriodo de retorno

Tra8ida 5til de

la oraiesgo

permisile3eriodo de retorno @

n $alculado Asumido 8erificado3uentes 2 ).; ;+ ) #))



• #ntensidades

$uencatc =/2) a6os1 =/) a6os1 =/#))

a6os1=/2))a6os1

/min1 /mm?hr1 /mm?hr1 /mm?hr1 /mm?hr1 A - # #+#.< (.( %.(% <. +.2

• Coe$iciente de escorrentía

Se adopta un coeficiente de escorrent!a de $ R ),; por tratarse de una zona con

cultivos y un terreno semipermeale.

• %atos para el cálculo de caudales

Drea S $oef./ha1 /1 $

##2(.< #.;# ).;

• Calculo de lo caudale de die!o

$uenca

Drea$

= /2)a6os1

= /)a6os1

H /2)a6os1

H /)a6os1

= /#))a6os1

= /2))a6os1

H /#))a6os1

H /2))a6os1

4U /ha1 /mm?h1 /mm?h1 /m*?s1 /m*?s1 /mm?h1 /mm?h1 /m*?s1 /m*?s1

A - #2(*(.+

).;

(.( %.(% 2#.+ 2.*2 <. +.2 2<.2) *#.;2

9inalmente con la ayuda de un softVare para cálculos hidráulicos, conseguimos

4U

escripción$audal E7E8. A4$FT @=A4@E AEA 3E=:E@T

8E7.

m*?s 4A:E m m m2 m m?s

# Achuma 2.*2 *+)%.+

<.< ).+ #%.2 <.<( #.;%

Re*u&en !e S$(''("$ne* 0'%' e, 0uene

Puene S$(''(")n +ene%',S$(''(")n en e,

e*%"5$



Achuma ).+* m ).#; m

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Caracteristicas Hidrologicas en puentes

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