INDICE GENERAL:

Drenaje vial

Sistemas de drenaje vial

Objetivos de drenaje vial

Tipos de drenaje vial

Estructuras de drenaje transversal

Alcantarillas

Clasificación de las alcantarillas

Ubicación de las alcantarillas

Puentes

Estructuras de drenaje longitudinal

Brocales

Clasificación de brocales

Canales

Tipos de canales

Sumideros

Disipadores de enrocado

Caídas

Rápidos

Importancia de la hidrológia en el calculo de las obras de drenaje.

Importancia del subdrenaje

Metodología para el calculo de caudales máximos

Calculo de caudales de diseño

Ejemplos prácticos de cálculos.

DRENAJE VIAL:

Consiste en orientar adecuadamente en carreteras, autopistas, avenidas o

aeropuertos las aguas vertidas sobre esas construcciones y sobre sus zonas vecinas para

protegerlas de la erosión, humedad y arrastre o para permitir el paso de las aguas cuyos

cauces son interferidos. Estas solución de interferencia se hace mediante estructuras

longitudinales o transversales al eje de la iba, superficialmente o debajo de a subrasante.

SISTEMA DE DRENAJE VIAL:

Es el conjunto de obras que destinadas a evitar los daños que las aguas pluviales,

superficiales o subterráneas puedan causar a la vía de comunicación, estén también

orientadas a reducir los inconvenientes que esas aguas puedan ocasionar a la circulación

de vehículos.

OBJETIVOS DEL DRENAJE VIAL:

Preservar la unidad e integridad estructural de la vía.

Garantizar el transito de vehículos.

Permitir el paso de las aguas cuyos cauces son interferidos por las carreteras.

Disponer y eliminar las aguas que caen sobre las carreteras mismas.

TIPOS DE DRENAJE VIAL:

Las obras de drenaje vial que conforma el sistema de recolección, conducción y

disposición de las aguas superficiales y subterráneas se clasifican en tres tipos:

A. Obras de drenaje transversal.

B. Obras de drenaje longitudinal.

C. Obras de subdrenajes.

Drenaje Transversal: Es el conjunto de obras que encauzan las aguas para

atravesar las vías de comunicación y que las descargan en los cursos de aguas que esta

cruza. Las alcantarillas y los puentes son las obras de drenaje transversal más

representativas, al permitir que las aguas cuyo escurrimiento natural ha sido interferido

por la vía atraviesen esta sin producir socavaciones ni erosionar los terraplenes, están

cumpliendo una funcion complementaria, al impedir que las aguas excedan unos limites

de inundación aceptables para garantizar el transito de vehículos.

Drenaje Longitudinal: Comprende todas aquellas obras que en dirección

paralela a la vía van recogiendo el escurrimiento superficial proveniente de ella, de sus

taludes y de los terrenos adyacentes; las torrenteras, cunetas y canales, canales de

coronamientos y zanjas interceptoras son obras tipitas de drenaje longitudinal. Cumplen

con la funcion complementaria al concentrar el escurrimiento de las aguas sin reducir

excesiuvamente la capacidad de transporte de la vía y al impedir que las aguas se

desborden sobre los cortes y terraplenes produciendo “cárcavas” que por erosiona

regresiva pueden poner en peligro la vía.

Subdrenaje: comprende las obras que recogen, conduce y descargan fuera de la

vía tanto las aguas subterráneas como aquellas infiltradas a través de los poros y grietas

de los pavimentos; esas obras cumplen primordialmente una funcion complementaria,

pues ayuda a mantener seco los pavimentos, garantizando mayor seguridad al transito

vehicular.

ESTRUCTURAS DE DRENAJE TRANSVERSAL:

Existe gran variedad de obras de drenaje transversal entre las cuales las más

representativas son:

ALCANTARILLAS: Es un conducto que lleva agua a través de un terraplén.

Es un paso a nivel para el agua y el tráfico que pasa sobre ella. A diferencia con la

plataforma de los puentes, la parte superior de la alcantarilla generalmente no forma

parte del pavimento de la carretera. Hidráulicamente las alcantarillas se definen como

conductos cerrados ya que pueden operar con la línea de carga de la corriente de agua

por encima de su corona y por consiguiente, trabajar a presión. Una alcantarilla que no

trabaje a plena carga opera de la misma manera que un canal abierto.

Las alcantarillas pueden ser construidas de diversas formas: redondas, ovaladas

o abovedadas, cuadradas y rectangulares; y estar hechas de distintos materiales,

concreto reforzados o sin reforzar, metal liso o corrugado, arcilla, etc.

Por otra parte, las alcantarillas pueden ser sencillas o formar parte de una batería

de múltiple secciones, generalmente del mismo material y forma, dependiendo del

espacio disponible y de las características del cauce natural que ha sido interferido por

la vía.

CLASIFICACIÓN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE ALCANTARILLAS:

ALCANTARILLAS METALICAS: Son generalmente corrugadas, ya que

esta condición aumenta la resistencia de materiales, acero o aluminio, a los

esfuerzos.

ALCANTARILLAS DE CONCRETO: Según su forma, pueden ser

alcantarillas de cajón (cuadradas, de una o varias celdas; rectangulares, de

una o varias celdas), circulares y ovaladas.

En el caso de las alcantarillas de concreto, las formas deben ser hechas

cuidadosamente, dependiendo de otros factores, de la topografía del lugar y de

la eficiencia hidráulica y estructural y por supuesto de los costos de

construcción.

ALCANTARILLA DE CAJON: Son adecuadas cuando trabajan bajan

condiciones de compresión moderadas o rellenos muy bajos; Cuando las cargas

de relleno aumentan o cuando las presiones hidrostáticas internas son mayores

que las cargas exteriores, estas formas de alcantarillas se hacen menos

económicas.

ALCANTARILLAS CIRCULARES: Pueden ser prefabricadas o de

diseños especiales. Se utilizan cuando van a estar sometidas a cargas de rellenos

y cargas hidrostáticas, dentro de los límites normales.

ALCANTARILLAS DE DISEÑO ESPECIAL: Son vaciadas en sitios, y

también son adecuadas para condiciones de cargas, incluyendo grandes

presiones internas. Se diseñan con la cara inferior relativamente plana, logrando

de esta manera una distribución amplia de la carga, lo cual proporciona grandes

espesores y resistencias en los lados y transmisión uniforme en los grandes

empujes a las fundaciones.

UBICACIÓN DE LAS ALCANTARILLAS:

El sitio lógico para la ubicación de una alcantarilla es el cauce existente. Esta

solución puede realizarse donde el alineamiento y la pendiente del cauce natural así lo

permita. Otras limitaciones para ubicar las alcantarillas seria la imposibilidad de lograr

un sistema practico para la conservación y mantenimiento en el sitio y el alineamiento

horizontal que en ningún caso debería tener quiebres bruscos, sino que debe estar

compuestos por curvas tan amplias como sea posible.

PUENTES: Son estructuras que permiten el paso de corriente mas caudalosas que

escurren por una quebrada, un apoyo o un río. Cuando la vía atraviesa un río es

necesario la construcción de un puente; Loa puentes pequeños de poca luz,

construidos sobre losas simplemente apoyadas sobre estribos, se denominan

pontones.

ESTRUCTURAS DE DRENAJE LONGITUDINAL:

BROCALES: Cumple una función muy importante, tanto en la seguridad del

usuario de la vía, como en el sistema de drenaje longitudinal; su función

principal es evitar que los vehículos se salgan de la vía. En algunas ocasiones los

brocales son utilizados en el centro de la vía, como islas, para separar el flujo de

tráfico en un sentido y en otro. También se colocan en el borde del hombrillo y

las líneas de canalización de las áreas de intersección.

CLASIFICACION DE LOS BROCALES:

- Brocales Barreras: Son aquellos que tienen caras con pendientes fuertes y

una altura que impide que los vehículos pueden cruzarlos fácilmente.

- Brocales Montables: Son diseñados para que puedan ser cruzados por los

vehículos en caso necesario.

- Brocales Cunetas: Cumplen la función de las cunetas, confinando las

aguas de las lluvias; Además de esto, evitan que el hombrillo sea utilizado como

canal de circulación.

CANALES: Son elementos muy importante para obtener el drenaje adecuado,

como para dar seguridad, buena apariencia y mantenimiento económico de la

vía. Su función es remover las aguas que caen sobre la vía, evitando zonas de

inundación que ocasionen problemas en el trafico.

TIPOS DE CANALES: Pueden ser clasificadas de acuerdo a su función como:

- CUNETAS: Son zanjas generalmente de sección triangular, construidas en el

lado exterior del hombrillo y limitadas por un brocal.

- CANALES RAPIDOS: Son canales con pendientes muy fuertes, su función

es llevar el agua hacia la parte baja de los cortes o rellenos, hasta un canal de

intercepción, o aun punto de descarga.

- TORRENTERAS: se diferencian de los canales rápidos en que el fondo del

canal es en forma de escalera, tienen cono objetivo bajar las lluvias q ocurren

sobre los taludes de la vía.

SUMIDEROS: Son obras de captación de las aguas que circulan por las cunetas.

A través de ellos las aguas de lluvias pasan a la red subterránea de colectores que a

su vez descargaran en el mar, o en un río o en canal.

Existen dos tipos básicos de sumideros:

a. SUMIDEROS DE VENTANA: Se utilizan cuando se

quieren captar las aguas que escurren adosadas a los brocales de la vía.

Se utilizan para vías con pendientes pequeñas (hasta 3 %) ya que resulta

mas económico y eficiente, evitando el depósito de arrastre y

sedimentos. Cuando el sumidero de ventana se encuentra en un punto

bajo, funciona hidráulicamente como un vertedero de cresta ancha

mientras se mantenga una superficie libre.

b. SUMIDEROS DE REJA: es uno de los mejores métodos de captación

del escurrimiento superficial, siempre y cuando esa apertura no resulte

objetable ni peligrosa para el trafico de vehículos y peatones. Se utiliza

para vías con pendientes pronunciadas, donde las velocidades del agua es

grande, pudiéndose captar el agua en distancias menores.

c.SUMIDEROS ESPECIALES: Estos sumideros que se llaman mixtos

se usan generalmente para asegurar la capacidad necesaria en caso de

posible obstrucción de los sumideros de reja.

d. DISIPADORES DE ENROCADO: Son los de mayor utilidad y

economía para el caso del drenaje longitudinal.

e. CAIDAS: Consiste en una serie de rieles de acero, canales de hierro o

viguetas de concreto instaladas a nivel del fondo de la alcantarilla y sobre

el pozo amortiguador. Se utilizan cuando hay que salvar pequeños

desniveles en los canales longitudinales o descender por terrenos muy

empinados, donde se disipa algo de energía a la vez se reduce la

velocidad de las aguas.

f. RAPIDOS: Existen muchos tipos de rápido, pero en líneas generales

todos consisten de tres partes: una aproximación de transición a un

conducto de sección prismática constante, el conducto de alta pendiente,

donde el régimen es supercrítico y rápidamente tiende a ser uniforme; y

la descarga donde sin ninguna transición se busca disipar la energía para

conducir las aguas bajo régimen subcritico con menor poder erosivo.

IMPORTANCIA DE LA HIDROLOGIA EN EL CÁLCULO DE LAS OBRAS

DE DRENAJE:

La Hidrología se define como la ciencia que estudia la disponibilidad y la

distribución del agua sobre la tierra. En la actualidad la Hidrología tiene un papel muy

importante en el Planeamiento del uso de los Recursos Hidráulicos, y ha llegado a

convertirse en parte fundamental de los proyectos de ingeniería que tienen que ver con

suministro de agua, disposición de aguas servidas, drenaje, protección contra la acción

de ríos y recreación.

Los estudios hidrológicos para proyectar las obras hidráulicas de drenaje vial

están dirigidos a obtener las magnitudes de los caudales o gastos requeridos para fijar

sus dimensiones, de tal forma que preserve la integridad de la vía y se garantice la

fluidez del transito, aun bajo condiciones extraordinarias de pluviosidad y además lo

referente al escurrimiento superficial motivado por lluvias intensas y de larga duración o

por conocer el escurrimiento de aguas subterráneas.

Dado con el país existen serias limitaciones en la disponibilidad de datos de

escurrimiento en especial en pequeños cursos de aguas que son los que conforman

buena parte de la problemática de drenaje vial, se hace indispensable por lo general,

recurrir a la deducción indirecta de los caudales a partir de las lluvias sobre el cual se

tienen mejores conocimientos e información. El aspecto hidrológico más importante es

conocer el caudal máximo de agua que se precipita sobre la vía o que esta interfiera.

IMPORTANCIA DEL SUBDRENAJE:

Las obras de subdrenajes se utilizan para deprimir los niveles freáticos, evacuar aguas

subterráneas, captar manantiales y corrientes de esta agua y controlar las que se infiltran

por las secciones estructurales del pavimento.

Un sistema eficiente de subdrenaje consistirá en una capa muy permeable como base del

pavimento, con su capa de filtro o una membrana impermeable que la separe de la sub-

base del mismo; el resto del sistema lo componen las tuberías recolectoras y las

descargas. Evidentemente, en una obra vial cualquiera se deben justificar los

subdrenajes tomándose como base un analizas económico que considere los costos de

los mismos y los beneficios que reportan por reducción en mantenimiento y

prolongación de la vida útil. Tal análisis debe contemplar, además, los factores

climáticos, la calidad del suelo y la intensidad del trafico pesado.

METODOLOGIA PARA EL CÁLCULO DE CAUDALES MAXIMOS:

Antes de conocer estos métodos es necesario definir los siguientes parámetros

hidrológicos:

- Cuenca: Toda aquella parte de terreno rodeado por la disoria donde el agua de

lluvia que escurre por la superficie se concentra y pasa por un punto del cauce

principal que la drena.

- Área de la cuenca: esta definida por la media ponderada de las pendientes

correspondientes a superficies elementales, en las cuales la pendiente se puede

considerar constante:

S= D*L/A

Donde:

A= Área de la cuenca

D= Intervalos entre curvas de nivel.

L= longitud total de las curvas de nivel.

- Coeficiente de escorrentía: relación entre el volumen precipitado y el volumen

de agua escurrido, ambos por unidad de tiempo, es decir C es una relación entre

la lluvia total y las perdidas, considerándose perdida a la infiltración,

evaporación, transpiración e intercepción.

- Tiempo de concentración: es el tiempo que tarda una gota de lluvia en recorrer el

trayecto desde el punto mas alejado de una cuenca hasta el sitio en que se va a

elegir la estructura de drenaje. Consta de dos partes, una que contempla el

tiempo de concentración del flujo supercial (Tcs) y otra el tiempo de

concentración del flujo canalizado (Tv).

Tc= Tcs+Tv

- Duración de la lluvia: Tiempo comprendido entre el comienzo y final de la

lluvia. Lluvia corta < 120min; lluvia larga>120min.

- Intensidad de la lluvia: Volumen de agua que precipita por unidad de tiempo

(mm/hr) o (lts/sg*Ha).

- Frecuencia de la lluvia: Número de veces que el evento es igualado o excedido

en un intervalo de tiempo determinado o en un determinado numero de años.

- Tiempo de retardo: se define como el tiempo en horas desde el punto medio del

diagrama de exceso de precipitación efectiva a la hora de descarga máxima. Se

obtiene utilizando la expresión:

Tr= 0.86*Tc0.74

- Tiempo al pico:

Tp= Tc/2+Tr

- Lluvia efectiva: Se define como la diferencia entre la lluvia total y las pérdidas.

Ll=Ll total-Perd

- Perdidas: Es la suma del agua que se infiltra, evapora, transpira y es interceptada

durante el escurrimiento.

- Hidrograma: Distribución del escurrimiento en el tiempo.

CALCULO DE CAUDALES DE DISEÑO:

Se puede realizar utilizando:

A. Método Racional: Es el mas utilizado para el calculo de gastos en

cuencas pequeñas, el método adolece de una serie de limitaciones y

por lo general, da resultados exagerados cuando las suposiciones que

se hacen para aplicarlo se alejan de sus premisas fundamentales, que

son :

1. La lluvia es de intensidad constante.

2. La porción de la precipitación que escurre superficialmente no varía

con el tiempo.

3. El efecto de almacenamiento temporal en depresiones y otros sitios

es despreciable.

Q=C.I.A (lts/sg) A<500Ha

Donde:

C= Coeficiente de escorrentía.

I= Intensidad de la lluvia.(lts/sg*Ha)

A= Área de la cuenca.(Ha).

B. Método del Hidrograma triangular:

Q = C*I*A*Tc

1.33*360*Tp

EJEMPLOS PRACTICOS DE CALCULOS:

1. Calcular el tipo de cuneta que será necesario colocar en un tramo de

avenida con pendiente longitudinal de 1%, situada en las cercanías de la

población de San Juan de Los Morros, para drenar un área de 0.80 Ha

distribuidas de la siguiente manera: 20% pavimento, 30% zonas verdes, 50%

zona comercial. Considerando una elevación de 800 msnm. Obtener la

velocidad media y la altura de agua para ese caudal.

Solución:

Formula a utilizar: Q= C*I*A

Coeficientes de escorrentías: buscado en tabla.

20% pav------ Ce = 0.82

30% Zv-------Ce = 0.20

50% Zc-------Ce = 0.725

Ce= 0.82*0.20+0.20*0.30+0.725*0.50

Ce= 0.586

Calculo de I:

PR= 10 años

D= 10 min

Elv= 800msnm

I= 370 lts/Ha

Calculo de Caudal:

Q= 0.586*370*0.80Ha

Q= 173 lts/Ha.

Se busca el tipo de cuneta sg tabla: la cuneta es tipo B, altura de agua 0.20

entonces:

Q=V*A

V=Q/A

V= 0.173 m3/8000m2

V= 2.16*10-5m/sg.

2. Diseñar un canal trapezoidal en tierra, n=0.022, Q= 6m3/sg, pend =1/z,

altura de agua 1.2 mts, fondo= 4 mts. Calcular una pendiente, longitud y

velocidad.

Solución:

Q=V*A

A= (b+z*y)*y

A= [4+(1.5*1.2)]*1.2

A= 6.96 m2

V=Q/A

V=0.86m/sg

_____ Pm= b+2y√1+z2

________ Pm= 4+(2*1.5)√1+(1.5)2

Pm=8.326m

R= 0.836m.

Calculo de pendiente longitudinal (S)

S= 4.560*10-4

S=0.000456

3. Calcular la distancia del primer y segundo sumidero de ventana de una

avenida con isla central y bombeo de 2% hacia la acera, el gasto por unidad

de longitud de la vía es constante= 0.711Lps/m, se usara sumidero de 3

metros de longitud de ventana y 0.60m de ancho de brocal, pend long del

tramo = 1.5%.

Solución:

So =pend long

Sx= pend transversal sum.

Q= 0.711Lps/m

Lv=3m

So=1.5%

Sx=2%

T=ancho de inundación

T= distancia + ancho del brocal

T= 1.5m+0.6m

T= 2.1m T=2.5m

Pend = y/T

Tabla ymax = 5cm

Sx = y / T

y = T * Sx

y = 2.5 * 0.02

y = 0.05m y = 5 cm

Z=50

Q= 0.00175 (Z/n)*So1/2*y8/3

Q= 0.00175 (50 / 0.016)*0.0151/2*58/3 = 48.96LPs

Q=50Lps

QI = 0.80 * 50Lps

QI = 40LPs

Distancia primer sumidero:

D1=70.32m = 71m

D1=71m

D2=56.26m

BIBLIOGRAFIA

Arquitecto López, Luis y Otros: Cartilla de Urbanismo

Edición de prueba .Editorial Imagen. Maracay-Edo Aragua.

Carciente Jacob .Carreteras. Estudios y Proyectos.

Ediciones Vega. 2ª Edición 1980. Caracas- Venezuela.

Franceshi, Luis. Drenaje Vial

Caracas.1983.

Dirección de Vialidad. Dimisión de Estudios y Proyectos

MOP .Manual de drenaje.