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DRENAJE SUPERFICIAL

Drenaje transversal de la carreteraAspectos generalesEl Estudio de Hidrulica y Drenaje se recomienda iniciarse despus de aprobado el proyecto de Diseo Geomtrico, y es de actividad obligatoria la inspeccin insitu del drenaje naturalEl drenaje transversal de la carretera tiene como objetivo evacuar adecuadamente el agua superficial que intercepta su infraestructura, la cual discurre por cauces naturales o artificiales, en forma permanente o transitoria, a fin de garantizar su estabilidad y permanencia.El elemento bsico del drenaje transversal se denomina alcantarilla, considerada como una estructura menor, su densidad a lo largo de la carretera resulta importante e incide en los costos, por ello, se debe dar especial atencin a su diseo.

Las otras estructuras que forman parte del drenaje transversal es el badn y el puente, siendo ste ltimo de gran importancia, cuyo estudio hidrolgico e hidrulico que permite concebir su diseo, tiene caractersticas particulares El objetivo principal en el diseo hidrulico de una obra de drenaje transversal es determinar la seccin hidrulica ms adecuada que permita el paso libre del flujo lquido y flujo slido que eventualmente transportan los cursos naturales y conducirlos adecuadamente, sin causar dao a la carretera y a la propiedad adyacente.Premisas para el estudioa) Caractersticas topogrficas.- Para el caso de obras de cruce menores (alcantarillas), el levantamiento topogrfico realizado para la carretera, deber cubrir aquellos sectores donde se emplazarn dichas obras, de tal manera que permita definir el perfil longitudinal del cauce tanto aguas arriba y aguas abajo de la seccin de cruce.

b) Estudio de cuencas hidrogrficas.- Es la identificacin de las cuencas hidrogrficas que interceptan el alineamiento de la carretera, con el objetivo de establecer los caudales de diseo y efectos de las crecidas. Se deber indicar la superficie, pendiente y longitud del cauce principal, forma, relieve, tipo de cobertura vegetal, calidad y uso de suelos, asimismo; los cambios que han sido realizados por el hombre, tales como embalses u otras obras de cruce que pueden alterar significativamente las caractersticas del flujo.4Caractersticas del cauce.- Se refiere a las caractersticas del lecho, tales como forma, tipo de suelo, tipo de cobertura vegetal, tipo de material de arrastre, slidos flotantes, fenmenos de geodinmica externa y otros factores que inciden en el tamao y durabilidad de la obra de cruce.Datos de crecidas.- Se proceder segn las metodologas expuestas en relacin las formulas hidrolgicas. Como informacin adicional se analizarn y evaluarn las marcas dejadas por crecidas o eventos anteriores. Adicionalmente, se recopilar la informacin proporcionada por lugareos, con la finalidad de contar con informacin adicional de campo.Evaluacin de obras de drenaje existentes.-Antes de efectuar la evaluacin de las obras de drenaje existentes, se debe conocer o tomar en cuenta lo siguiente:Nivel de intervencin sobre la va en estudio, tomar en cuenta las conclusiones de los estudios de pre-inversin, para la coherencia del ciclo del proyecto de inversin.Contar con las progresivas del proyecto en campo. La evaluacin hidrulica de las estructuras existentes, deber ser complementada con los evaluaciones de un Especialista en Estructuras y Obras de arte. El resultado de la evaluacin de las obras de drenaje ser presentado en fichas tcnicas de campo.

La evaluacin del comportamiento desde el punto de vista hidrulico estructural de estructuras ubicadas aguas arriba o aguas abajo de la estructura proyectada es de mucha utilidad, porque permite contar con informacin relevante para lograr diseos adecuados, tomando en cuenta su funcionamiento ante la presencia de procesos geomorfolgicos como erosin, sedimentacin u otros fenmenos, a los que han estado sometidasALCANTARILLASAspectos generalesSe define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su funcin es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera.La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construccin y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada eleccin de su ubicacin, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad.La ubicacin ptima de las alcantarillas depende de su alineamiento y pendiente, la cual se logra proyectando dicha estructura siguiendo la alineacin y pendiente del cauce natural, el incremento y disminucin de la pendiente influye en la variacin de la velocidad de flujo, que a su vez incide en la capacidad de transporte de materiales en suspensin y arrastre de fondo.Ubicacin en plantaLa ubicacin en planta ideal es la que sigue la direccin de la corriente, sin embargo, segn requerimiento del Proyecto la ubicacin natural puede desplazarse, lo cual implica el acondicionamiento del cauce, a la entrada y salida con la construccin de obras de encauzamiento u otras obras complementarias.Pendiente longitudinalLa pendiente longitudinal de la alcantarilla debe ser tal que no altere desmesuradamente los procesos geomorfolgicos, como la erosin y sedimentacin, por ello, los cambios de pendiente deben ser estudiados en forma cuidadosa, para no incidir en dichos procesos que pueden provocar el colapso de la estructura.

Eleccin del tipo de alcantarilla a) Tipo y seccinLos tipos de alcantarillas comnmente utilizadas en proyectos de carreteras en nuestro pas son; marco de concreto, tuberas metlicas corrugadas, tuberas de concreto y tuberas de polietileno de alta densidad.

Las secciones mas usuales son circulares, rectangulares y cuadradas. En ocasiones especiales que as lo ameriten puede usarse alcantarillas de secciones parablicas y abovedadas.

En carreteras de alto volumen de trnsito y por necesidad de limpieza y mantenimiento de las alcantarillas, se adoptar una seccin mnima circular de 0.90 m (36) de dimetro o su equivalente de otra seccin, salvo en cruces de canales de riego donde se adoptarn secciones de acuerdo a cada diseo particular.Las alcantarillas tipo marco de concreto de seccin rectangular o cuadrada pueden ubicarse a niveles que se requiera.

Es importante instalar alcantarillas permanentes con un tamao lo suficientemente grande como para desalojar las avenidas de diseo ms los escombros que se puedan anticipar.

En cauces naturales que presentan caudales de diseo importantes donde la rasante no permite el emplazamiento de una alcantarilla de dimensin considerable, se suelen colocar alcantarillas mltiples, sin embargo, este diseo debe tener en cuenta la capacidad de arrastre del curso natural.

En el caso del proceso constructivo de tuberas para alcantarillas mltiples, se recomienda que la separacin de los tubos, medida entre las superficies externas, deber ser tal que facilite la compactacin del material de relleno igual a la mitad del dimetro de la tubera con un mximo de 1.0 m y 0.4 m como mnimo

b) MaterialesLa eleccin del tipo de material de la alcantarilla depende de varios aspectos, entre ellos podemos mencionar el tiempo de vida til, costo, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosin, abrasin, fuego e impermeabilidad. En conclusin no es posible dar una regla general para la eleccin del tipo de material a emplear en la construccin de la alcantarilla, sino que adems de los aspectos mencionados anteriormente depende del tipo de suelo, del agua y principalmente de la disponibilidad de materiales en el lugar.Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseo de una alcantarillaSe presentan algunas recomendaciones prcticas y factores que intervienen para el diseo adecuado de una alcantarilla.Utilizar el perodo de retorno para el diseo

VALORES MAXIMOS RECOMENDADOS DE RIESGO ADMISIBLE DE OBRAS DE DRENAJETIPO DE OBRARIESGO ADMISIBLE (**) ( %)Puentes (*)25Alcantarillas de paso de quebradas importantes y badenes30Alcantarillas de paso quebradas menores y descarga de agua de cunetas35Drenaje de la plataforma (a nivel longitudinal)40Subdrenes40Defensas Ribereas25(*) - Para obtencin de la luz y nivel de aguas mximas extraordinarias. - Se recomienda un perodo de retorno T de 500 aos para el clculo de socavacin.(**) - Vida til considerado (n) Puentes y Defensas Ribereas n= 40 aos. Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 aos. Alcantarillas de quebradas menores n= 15 aos. Drenaje de plataforma y Sub-drenes n= 15 aos.- Se tendr en cuenta, la importancia y la vida til de la obra a disearse.- El Propietario de una Obra es el que define el riesgo admisible de falla y la vida til de las obras.b) Para asegurar la estabilidad de la carretera ante la presencia de asentamientos provocados por filtraciones de agua, la alcantarilla debe asegurar la impermeabilidad.Dentro de los factores se mencionan los siguientes:Como factores fsicos y estructurales, tenemos: la durabilidad, altura de relleno disponible para la colocacin de la alcantarilla, cargas actuantes sobre la alcantarilla y calidad y tipo de terreno existente.Dentro de los factores hidrulicos, tenemos: el caudal de diseo, pendiente del cauce, velocidad de flujo, material de arrastre, pendiente de la alcantarilla y rugosidad del conducto.Otros factores importantes que deben ser tomados en cuenta para la eleccin del tipo de alcantarilla, son la accesibilidad a la zona del proyecto y la disponibilidad de materiales para su construccin.Se debe tener en cuenta la velocidad, parmetro que es necesario verificar de tal manera que se encuentre dentro de un rango, cuyos lmites se describen a continuacin.Tipo de revestimientoVelocidad m/segConcreto3 - 6Ladrillo con concreto2.5 - 3.5Mampostera de piedra con concreto2.00Se deber verificar que la velocidad mnima del flujo dentro del conducto no produzca sedimentacin que pueda incidir en una reduccin de su capacidad hidrulica, recomendndose que la velocidad mnima sea igual a 0.25 m/s.Se recomienda utilizar, en zonas de selva alta, como dimetro mnimo alcantarillas TMC 48

Qs=caudal slido = 2,650 kg/m3 (densidad promedio del material slido)A= rea transversal del solido retenidoV= Velocidad aproximad del solido (Estimar de acuerdo a la zona de trabajo, conservador 2 m/seg)

b) Borde libreEl borde libre en alcantarillas es un parmetro muy importante a tomar en cuenta durante su diseo hidrulico, por ello, las alcantarillas no deben ser diseadas para trabajar a seccin llena, ya que esto incrementa su riesgo de obstruccin, afectando su capacidad hidrulica.Se recomienda que el diseo hidrulico considere como mnimo el 25% de la altura, dimetro o flecha de la estructura.

c) Socavacin local a la salida de la alcantarillaSi la velocidad del flujo a la entrada y particularmente a la salida de la alcantarilla es alta, puede producir procesos de socavacin local que afecte su estabilidad, por ello, se recomienda la proteccin del cauce

d) AbrasinLa abrasin es una accin mecnica de rozamiento que consiste en la erosin del material de la alcantarilla por la accin de slidos flotantes transportados por el cauce natural. Este fenmeno depende del carcter y cantidad de material de arrastre, duracin, frecuencia y velocidad del flujo.

f) Corrosin.Siempre que la corrosin est originada por una reaccin electroqumica (oxidacin), la velocidad a la que tiene lugar depender en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestin.DI SE O DE ENT R ADAS Y SALI DAS.Generalmente se dan formas especiales a los extremos de las alcantarillas con el fin de reducir la erosin y el socavamiento, retener el relleno del terrapln, mejorar el aspecto y el comportamiento hidrulico y lograr la estabilidad de los extremos. La entrada debe guiar el flujo hacia la alcantarilla con el mnimo de contraccin posible y la salida debe restablecer las condiciones naturales del flujo hacia aguas abajo.

En el caso especial de velocidades de salida que sobrepasen los lmites admisibles, que indica la siguiente, ser necesario dar tratamiento especial a la salida con el fin de proteger el cauce aguas abajo y disipar la energa.Flujo IntermitenteFlujo PermanenteTipo de Terreno(m/s)(m/s)Arena Fina (no coloidal)0,750,75Arcilla arenosa (no coloidal)0,750,75Arcilla limosa (no coloidal)0,900,90Arcilla fina1,001,00Ceniza volcnica1,201,00Grava fina1,501,20Arcilla dura (coloidal)1,801,40Material graduado (no coloidal):Desde arcilla a grava2,001,50Desde limo a grava2,101,70Grava2,301,80Grava gruesa2,402,00Desde grava a piedras (bajo 15 cm)2,702,10Desde grava a piedras (sobre 20 cm)3,002,40Las formas ms usadas de las aristas de las alcantarillas son:a) Aristas Vivas.b) Aristas Redondeadas. En que se redondean los bordes de modo que el flujo entre en forma gradual.Esta modificacin es econmica, disminuye la contraccin del flujo a la entrada, y aumenta la capacidad de la alcantarilla, reduciendo el nivel del remanso a la entrada.c) Aristas Biseladas o Abocinadas. Los bordes se cortan en un ngulo determinado, para producir un efecto similar al de las aristas redondeadas, lo cual tiene ventajas constructivas.d) Aristas Ranuradas. Corresponden a la primera onda del anillo corrugado de una caera de metal corrugado o al enchufe que tienen los conductos de hormign en uno de los extremos. Cuando se colocan a la entrada en las alcantarillas pequeas, producen un efecto similar al de las aristas redondeadas.Otros elementos que se usan en combinacin con las aristas mencionadas anteriormente, en los extremos de las alcantarillas, son los siguientes:e) Conducto con Extremos Alabeados. Esta forma de terminar las alcantarillas se produce formando en cada lado una pared que parte desde la seccin del tubo y va alabendose hasta tomar la forma del cauce natural. Aun cuando este tipo de transicin mejora las condiciones de escurrimiento, este tipo de entrada es ms costoso y difcil de construir.f) Muros de Cabecera y Muros de Ala. Los primeros parten desde el dintel de la alcantarilla ya sea inclinados con el ngulo de la pendiente del terrapln o verticales. Los verticales son ms eficientes desde el punto de vista de su funcionamiento hidrulico.Cuando el acarreo de slidos flotantes y detritos por parte de la corriente es considerable y puede obstruir la entrada, es indispensable mantener o acelerar la velocidad de aproximacin para transportar dichas materias a travs de la alcantarilla. Bajo estas condiciones adquiere gran importancia el ajuste de la entrada o la forma del canal de llegada y las transiciones alabeadas.

Para distintos gastos en alcantarillas que operan con control de entrada, segn sea la disposicin y caractersticas de los elementos de entrada de la obra, se establece a continuacin la siguiente normativa.a) Toda obra de arte diseada para prestar servicio durante un perodo prolongado (proyecto en trazado nuevo, recuperacin o cambio estndar), deber disearse con muro frontal, vertical en elevacin y dispuesto perpendicularmente al eje del cauce ( = 100 g). b) La disposicin de Tubo Prolongado, sin muro frontal, slo podr emplearse en obras provisorias requeridas durante la construccin (desvo de cauces, variantes temporales, etc.) o durante la reparacin o reemplazo de obras existentes, ello por cuanto el terrapln queda permanentemente en contacto con el agua, saturndolo y produciendo daos por arrastre del material constituyente. h) Las aristas ranuradas del conducto en la Boca de Entrada de los tubos de hormign mejorarn la eficiencia hidrulica del ducto.En los cajones con alas a 50g no se aprecia un aumento de eficiencia hidrulica importante al tener aristas viva, caso 7, o arista biseladas, caso 10; en tanto, la carga He no supere 3H, a partir de la cual el efecto del bisel se hace notar rpidamente.

j) El control de entrada, significa que la capacidad de una alcantarilla, est determinada en su entrada, por la profundidad de remanso (He) y por la geometra de la embocadura, que incluye la forma y rea de la seccin transversal del conducto, y el tipo de aristas de aquella. La profundidad del remanso es la distancia vertical desde el umbral de la alcantarilla, en la entrada, hasta la lnea de energa total de esa seccin (profundidad + altura de velocidad). Debido a las pequeas velocidades de la corriente en los remansos y a la dificultad en determinar la altura de velocidad para todos los escurrimientos, se admite que el nivel de agua y la lnea de energa total coinciden, lo que significa que las profundidades del remanso obtenidos de los grficos de este manual, puedan ser mayores que las que se presentan en los casos prcticos, lo que da una mayor seguridad a la obra.Expresiones Analticas para el Clculo de He en Obras con Control de Entrada.El Federal Highway Administration (FHWA), ha generado mediante modelos de regresin, expresiones polinmicas de quinto grado que entregan la carga hidrulica a la entrada directamente. Estas ecuaciones entregan resultados equivalentes a los obtenidos mediante los grficos y son vlidas para cargas comprendidas entre la mitad y tres veces la altura de la alcantarilla. Las expresiones son del tipo siguiente:

Siendo,He = Carga a la entrada (m).a...f = Coeficientes de regresinF = Q/D5/2 en alcantarillas circulares, o bien Q/(BD3/2) en alcantarillas de cajn.Q = Caudal (m3/seg).

D = Altura de la alcantarilla (m); dimetro en el caso de los tubos. B = Ancho de la alcantarilla (m).i = Pendiente longitudinal (m/m).z = 1,81130889 (factor de conversin para unidades mtricas).Eficiencia Hidrulica en Alcantarillas con Control de Entrada.La curva de descarga de la alcantarilla o relacin entre la carga hidrulica y el caudal que circula, presenta dos tramos bien definidos.Cuando la carga es pequea, la obra funciona como un vertedero y a medida que la carga aumenta, la obra funciona como un orificio. Entre ambas situaciones se produce una transicin suave.

Cuando la obra funciona como vertedero la capacidad aumenta con pequeos aumentos de carga; sin embargo, al actuar como orificio se requieren aumentos importantes de carga para aumentar la capacidad de porteoALCANTARILLAS CON CONTROL DE SALIDA .El escurrimiento en alcantarillas con control de salida puede presentarse con conducto lleno o parcialmente lleno, ya sea en una zona o en toda la longitud de la alcantarilla. Si cualquier seccin transversal escurre llena, se dice que el escurrimiento es, a seccin llena. El Grfico 3_4, muestra varias condiciones de escurrimiento con control de salida para varias alturas. Los procedimientos de clculo son diferentes si la salida es sumergida o no y por lo tanto, se analizarn los distintos casos que se ilustran en el Grfico 3_4, separadamenteSalida Sumergida.En este caso la carga H, o energa necesaria para hacer circular un gasto dado por la alcantarilla, se emplea en vencer las prdidas de entrada, prdidas por frotamiento, evaluadas con la ecuacin de Manning, y altura de velocidad en la salida.Por consiguiente, se calcula con la siguiente relacin:

siguiente relacin:

Ke = Coeficiente de prdida de carga en la entrada (Tabla 3_3 a.)n = Coeficiente de Rugosidad de Manning (Tabla 3_3 b.)L = Longitud de la alcantarilla en metros.R = Radio Hidrulico en metros (Razn entre rea y permetro mojado). V = Velocidad Media en la Alcantarilla en m/seg.La carga H, es la diferencia entre la lnea de energa en la seccin de entrada y la cota piezomtrica en la seccin de salida. Sin embargo, en general, debido a que la Velocidad en el remanso es pequea se supone que la lnea de energa es coincidente con el nivel de aguas a la entrada, lo que implica que los niveles calculados pueden ser algo mayores que los reales.

TABLA 3_3 a COEFICIENTES DE PRDIDA DE CARGA A LA ENTRADA EN ALCANTARILLAS CON CONTROL DE SALIDA

Calculada la carga H, el nivel de aguas a la entrada (He) se calcula sumando la carga al nivel de aguas a la salida de la alcantarilla. En la determinacin de este ltimo, pueden presentarse dos situaciones. Si a la salida, el cauce tiene una seccin transversal, pendiente y rugosidad razonablemente uniformes, se puede suponer la existencia de altura normal a la salida y calcularla empleando la frmula de Manning.

Si por el contrario, existen en el cauce hacia aguas abajo disminuciones de ancho o pendiente que impliquen un control del rgimen hidrulico del escurrimiento, debe calcularse el nivel de aguas a la salida de la alcantarilla, empleando los mtodos de clculo de ejes hidrulicos o curvas de remanso.Salidas no Sumergidas.Si el nivel de la corriente inmediatamente aguas abajo de la salida se encuentra por debajo del dintel de la alcantarilla. La condicin de salida sumergida no existe y la determinacin del nivel de aguas a la entrada se realiza en forma diferente. La mayora de los cauces naturales suelen ser relativamente anchos comparados con la alcantarilla, y la profundidad de agua en el cauce puede ser menor que la profundidad crtica de la alcantarilla, por lo cual, el nivel de la corriente aguas abajo no influye en la capacidad o en el nivel de remanso en la entrada. Los casos en que se produce esta situacin corresponden a los presentados en el Grfico 4_3 letras B, C y D, del Anexo I.La condicin de escurrimiento lleno en parte de la longitud del conducto (Grfico 3_4, caso C), se producir cuando la profundidad del agua a la entrada, medida desde el nivel de la superficie del remanso calculado anteriormente, es igual, o mayor que la cantidad:

Dnde: V es la velocidad media para la seccin transversal llena del conducto;Ke la prdida de carga en la entrada; y D la altura interior de la alcantarilla. Si la profundidad de agua en la entrada es menor que el valor precedentemente consignado, la corriente presentar una superficie libre en toda la longitud del conducto, caso D.Para los fines del diseo, este mtodo es generalmente satisfactorio para profundidades del remanso de entrada mayores a 0,75 veces la altura del conducto.

Calculada la carga (H) la profundidad del agua en la entrada medida desde el umbral (He), puede expresarse por una sola relacin para todas las condiciones de escurrimiento con control en la salida.Esta ecuacin es la siguiente:He = H1 + H Li ; en que

He = Profundidad de agua en la entrada ( m ). H = Carga de la alcantarilla ( m).L = Longitud de la alcantarilla (m ). i = Pendiente de la alcantarilla.H1 = Cota piezomtrica en la salida medida desde el umbral de la salida de la alcantarilla (m).Cuando el nivel superficial de la corriente inmediatamente aguas abajo de la salida, iguala o sobrepasa el dintel, H1 es igual a dicha profundidad de agua Si el nivel aguas abajo, se encuentra bajo el dintel (Casos B, C y D), H1 es el mayor de dos valores: la profundidad de aguas en la salida o el valor (hc +D)/2. Esta ltima expresin representa la altura de la lnea piezomtrica aproximada, mencionada anteriormente.

La altura crtica para un gasto Q (m3/seg), en una seccin rectangular o cuadrada, est dada por:

Hc = 0,467 (Q/B)2/3;

siendo B el ancho de la obra en (m).C U N E T A SLa capacidad hidrulica de las cunetas triangulares se puede calcular empleando la ecuacin de Manning, expresada de la siguiente manera:

Dnde:Q = Gasto.n = Coeficiente de Manning. = rea de la seccin. R = Radio hidrulico.i = Pendiente longitudinal.Las propiedades geomtricas e hidrulicas de la cuneta se pueden determinar empleando las frmulas presentadas en la Tabla 4_2

TABLA 4_2 CAPACIDAD HIDRULICA DE CUNETAS Y CANALES TRIANGULARES

TABLA 4_3 VELOCIDADES MXIMAS ADMISIBLES EN CONTRAFOSOS Y CUNETAS REVESTIDAS