Hidrologia y Drenaje

INGENIERÍA CIVIL UNC

HIDROLOGIA Y DRENAJE

INGENIERIA DE DRENAJE


HIDROLOGIA Y DRENAJE

5.1 . AMBITO DE APLICACIÓN Y OBJETO

El presente estudio se basa en la aplicación de técnicas y normas en el tramo Km.00+000– Km. 03+140 de “CONSTRUCCIÓN Trocha Carrozable Llagamarca- Puruay Alto” Provincia de Cajamarca - Cajamarca.El drenaje de carreteras constituye de por sí un aspecto básico e imprescindible en todos aquellos proyectos que se ubican en zonas montañosas o regiones con ocurrencia de precipitaciones. La falta y/o deficiencia de los sistemas de drenaje trae consigo el deterioro y destrucción parcial o total de las obras a muy corto plazo, incrementándose en consecuencia los costos por reposición y/o mantenimiento de los proyectos.La infiltración del agua en la zona alta satura el talud en pendiente positiva desestabilizando y provocando grandes deslizamientos de suelo. El problema se agudiza por ausencia de drenes de coronación y por falta de un minucioso estudio y ejecución de estabilidad de taludes.La modificación o alteración de los cauces naturales debido a la presencia de estructuras de cruce de vías (puentes, pontones, badenes) pueden causar serias distorsiones de los flujos produciendo socavamientos o sedimentación que puede hacer peligrar la estabilidad de las estructuras o provocar inundaciones en zonas aledañas, según el caso.El drenaje superficial comprende:

La recogida de aguas pluviales, procedentes de la plataforma y sus márgenes, mediante badenes, cunetas, alcantarillas, puentes y pontones.

La evacuación de aguas recogidas, eventualmente a través de arquetas y colectores longitudinales a causes naturales, a sistemas de alcantarillado o la capa freática bien sea a través de obras de desagüe transversal o canalizaciones a cielo abierto.

La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados por la carretera, mediante su eventual acondicionamiento y la construcción de obras de drenaje transversal.

5.1.1. ObjetivosEl propósito del estudio hidrológico es proteger el sistema vial mediante un proyecto de drenaje adecuado, cuyo planteamiento geométrico general y diseño hidráulico y estructural garanticen economía, duración, funcionalidad y mínimo impacto ambiental negativo.

Son objetivos del estudio hidrológico: Predicción razonable de la máxima escorrentía directa con la

finalidad de obtener un diseño óptimo de las diferentes estructuras comprendidas en el proyecto, tales como: cunetas, canales de coronación, alcantarillas, puentes, pontones, badenes, entre otros.



Estimar la capacidad de degradación de la cuenca receptora – colectora a fin de prever el control de sedimentos de las diferentes estructuras componentes del proyecto, asegurando así protección adecuada de las estructuras y minimizando el impacto ambiental negativo.

5.1.2. Criterios Funcionales

Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta:- Las soluciones técnicas disponibles- La facilidad de su obtención- Sus precios- Las posibilidades y costos de su construcción y conservación- Los daños que su presencia pueda producirAl paso del caudal de referencia que se calcula con los datos para el lugar, dependiendo de varios parámetros dentro de ellos; tiempo de retorno, habida cuenta en su caso del riesgo de obstrucción se deberán de cumplir con las condiciones mínimas siguientes:

a.-) Velocidad de corrienteEn los elementos del drenaje superficial la velocidad del agua no deberá de causar daños por erosión ni por sedimentación.El diseño, dimensionamiento e implantación de las obras de drenaje transversal deberá evitar el depósito de sedimentos en su interior y reducir todo lo posible en la perturbación de las condiciones de desagüe del cauce a que correspondan

Tabla 5.1.- Velocidad máxima del aguaNaturaleza de la superf ic ie Máxima velocidad admisible (m / s)

Arena f ina o l imo (poca o ninguna arci l la) 0 .20 - 0 .60Arena arci l losa dura, margas duras 0 .60 - 0 .90Terreno parcialmente cubier to por vegetación 0 .60 - 1 .20Arci l la , grava, pizarras blandas con cubier ta vegetal 1 .20 - 1 .50Hierba 1 .20 - 1 .80Conglomerado, pizarra duras , rocas blandas 1 .40 - 2 .40Mamposter ía , rocas duras 3 .00 - 4 .50Hormigón 4 .50 - 6 .00

b.-) Nivel de agua

En la relación con la posibilidad de la interrupción del funcionamiento de la propia carretera, el máximo nivel de agua que deberá guardar, respecto a la superficie de la plataforma de aquella, un resguardo inferior a lo especificado en la tabla 5.2Tabla 5.2.- Resguardo mínimo (m) entre el máxima nivel de la lamina de agua y la superficie de la plataforma

Tipo de elemento IMD afectada Alta media baja 200 250

Drenaje superficial de la plataforma 0 0 0



Obras de drenaje transversal 0.5 0 (x )

En el caso de baja intensidad de circulación podrá admitirse laminas de agua de hasta 0.30 m. por encima del firme, valorando la interrupción de la circulación por esta causa. Para el presente proyecto de acuerdo a lo anterior se tomara como cero por los daños que podría provocar en el mantenimiento, deslizamientos, de acuerdo a esto se ha realizado el inventario de las obras evacuadoras.

c.-) Sobre elevación del nivel de la corriente

Los daños materiales a terceros producibles por la inundación de zonas aledañas a la carretera debida a la sobre elevación del nivel de la corriente en un cauce, provocada por la presencia de la obra de desagüe transversal, no deberán tener la consideración atastrófica o sea los diseños deberán satisfacer las máximas avenidas.

5.1.3. Periodo de retornoLa selección del caudal de referencia para el que debe de proyectarse un elemento de drenaje superficial esta relacionada con la frecuencia de su aparición, que se puede definir por su periodo de retorno: cuanto mayor sea este , mayor será el caudal.Se dice que el periodo de retorno de un caudal es T cuando, como

media, es superado una vez cada T años. Sin embargo el riesgo del

caudal que sea excedido alguna vez durante un cierto intervalo de

tiempo, como por ejemplo la vida útil de una obra depende también de

la duración del intervalo. Así, un caudal que tenga un periodo de

retorno de 50 años tiene una probabilidad de un 2% de que en

cualquier año de dicho periodo aparezca al menos un caudal igual o

mayor, pero la probabilidad de tal aparición en un periodo cualquiera

de 10 años consecutivos sube al 18 %;de 25 años, al 38% ; de 50

años, al 64% ; de 100 años, al 86%,y, en general, de C años , al 1-

(1-(1/T))c.

En principio se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a

los que se indica en la tabla 5.3.

Tabla 5.3.- Mínimos periodos de retorno (años)

Tipo de elemento de drenaje IMD en la vía afectada (x)

Alta media baja

2000 500

Pasos inferiores con dificultades

Para desaguar por gravedad 50 25 25



Elementos del drenaje superficial

De la plataforma y márgenes 25 10

(xx)

Obras de drenaje transversal 100 100 (xxx)

(x) Si la comunicación interrumpida por el corte de la carretera no

pudiese restablecerse por las rutas alternativas, o esta revistieran

especial dificultad, se aumentara en un grado la categoría basada en

el IMD.

(xx) Estos casos cubren una extensa gama, en la que los límites que

razonablemente cabria imponer a las condiciones de desagüe varían

ampliamente en función de las circunstancias locales.

(xxx) Deberá comprobarse que no se alteran sustancialmente las

condiciones de desagüe del cauce con el caudal de referencia

correspondiente a un periodo de retorno de 10 años.

No obstante, se podrán adoptar otros valores debidamente

justificados, habida cuenta del costo del elemento de drenaje

superficial y de los daños producidos por el caudal de referencia.

5.1.4. Riesgo de obstrucción

Las condiciones de funcionamiento de los elementos de drenaje

superficial pueden verse alteradas por su obstrucción debida a

cuerpos arrastrados por la corriente

Entre los elementos del drenaje superficial de la plataforma este

riesgo es especialmente acusado en los sumideros y colectores

enterrados, debido a la presencia de basura y algunos sedimentos

Para evitarlo se necesita un adecuado diseño, cierto

sobredimensionamiento y eficaz conservación

El riesgo de obstrucción de las obras de drenaje transversal se

presenta, fundamentalmente por vegetación arrastrada por la

corriente, dependiendo también de las características de los

cauces y zonas inundables.



Condiciones que tomaran en cuenta a la hora del diseño de

las alcantarilla y puentes y con el concepto de acarreos los

badenes.

5.1.5. Metodología de Estudio

A fin de tener conocimiento pleno de la zona del proyecto y sentar las bases necesarias para el estudio hidráulico se ha considerado las siguientes fases:

Fase de campo

a) Inventario, diagnóstico, análisis y síntesis del comportamiento hidrológico del área de influencia del proyecto para conocer detalles que servirán de base para el diseño hidráulico y estructural.

b) Recopilación de información hidrometeorológica en concordancia con los objetivos del proyecto (SENAMHI, IGN).

c) Planteamiento geométrico y diseño de las estructuras componentes del sistema de drenaje.

5.1.6. Justificación.

En general, los proyectos de drenaje de carreteras tienen la particularidad de poseer pequeñas áreas colectoras y por tanto pequeños tiempos de concentración. Esta característica determina que la información hidrológica adecuada esté constituida por análisis de tormentas sobre bandas provenientes de pluviógrafos registradores ubicados en la zona del proyecto o zonas aledañas.

Siendo el drenaje el sistema de protección contra efectos destructivos del agua, es imprescindible que los sistemas viales, en zonas montañosas de alta pluviosidad, tengan una concepción estratégica que a la par de garantizar la vida económica del proyecto minimicen los efectos de impacto ambiental negativo.

5.2. INFORMACIÓN HIDROMETEOROLÓGICA

El conocimiento de las principales variables climatológicas de las zonas de estudio se basa en la recopilación, procesamiento y síntesis de la información hidrometeorológica.

5.2.1. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA GENERAL

De acuerdo al análisis regional de variables climatológicas de la zona, es posible describir las características de variabilidad



espacial y temporal de los componentes climatológicos promedio en la zona del proyecto (Ref. 1)

Pluviosidad.

El módulo pluviométrico anual promedio, en la zona de estudio, es de aproximadamente 817 mm, variando ligeramente con la altitud en la zona de influencia del proyecto. En cuanto a su distribución temporal podríamos afirmar que del total de la lámina precipitada, alrededor del 55% cae en el período húmedo (Enero-Abril), un 10% en el periodo de estiaje (Mayo - Agosto) y un 35% en el período de transición (Septiembre - Diciembre).

Generalmente, para un mismo año, las mayores láminas de precipitación tienen lugar en el periodo húmedo, en cambio las mínimas se registran en el período de estiaje. Sin embargo, las tormentas de mayores láminas no siempre generan las mayores intensidades, presentando estas últimas una marcada variabilidad en el tiempo y en el espacio; por ello es necesario realizar un minucioso análisis de las tormentas críticas en materia de intensidades puesto que estas últimas están íntimamente relacionadas con los grandes volúmenes de escorrentía directa, los que deben ser evacuados rápidamente a través de los sistemas de drenaje superficial.

Temperatura.

En cuanto al régimen de temperatura se puede afirmar que, para la misma localidad, los promedios mensuales se mantienen casi estacionarios durante el año y de un año a otro, con una desviación típica que puede considerarse pequeña. Sin embargo, existe una marcada variabilidad de los promedios con la altitud y entre los promedios extremos de máximas y mínimas. Se estima que la temperatura promedio anual en la zona del proyecto es del orden de 11.3ºC con una desviación típica media de 2.2°C, alcanzando promedios máximos y mínimos extremos de 20°C y 04°C, respectivamente. Generalmente, corresponden los máximos valores delos periodos transicional y húmedo y los mínimos al periodo de estiaje, donde incluso se registran fuertes heladas.

Humedad Relativa.

Similarmente a lo que ocurre con la temperatura, la humedad relativa varía con la altitud, estimándose que para la zona de estudio los promedios porcentuales de esta variable están comprendidos entre el 50% y 70%. Correspondiendo los mayores valores a los lugares de mayor altitud y al periodo húmedo (Enero - Abril) y los menores a los de menor altitud y al periodo de estiaje (Mayo - Agosto).

Evapotranspiración.



La Evapotranspiración potencial promedio en la zona del proyecto puede estimarse que varía desde 3.0 mm/día hasta 4.0 mm/día.

De acuerdo a los índices promedio de clasificación climática de Thornwaite, el clima de la zona del proyecto puede considerarse como un sub.-húmedo y semifrío en la parte baja hasta un húmedo y frío en la parte alta (3237 msnm).

5.2.2 INFORMACION CLIMATOLÓGICA ESPECÍFICA.

Debido a la reducida área receptora – colectora de las aguas pluviales de los diferentes tramos de vía, la información adecuada para este tipo de estudio está constituida por intensidades máximas de precipitación. Sin embargo, esta información registrada en Pluviógrafos es muy escasa, requiriéndose de metodologías adecuadas que permitan la transposición de información desde localidades climatológicamente similares o próximas a la zona de estudio, partiendo de variables regionales de mayor incidencia y de parámetros hidrológicos adimensionales más representativos.

5.3 HIDROLOGÍA DEL DRENAJE SUPERFICIAL

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MARGENES. CRITERIOS DE

PROYECTO

5.3.1 CONDICIONES GENERALES

5.3.1.1. Factores a considerar

El drenaje superficial deberá proyectarse como una red o conjunto de redes que recoja la escorrentía superficial -y, en algunos casos, las aguas subterráneas- procedentes de la plataforma de la carretera y de los márgenes que viertan hacia ella, y las conduzca a un desagüe. Además del coste, deberán tenerse en cuenta factores:

Topográficos: altitud, posición de la explanación respecto al terreno contiguo, espacio disponible, origen y posible punto de desagüe de cada red, situación de obras de drenaje transversal o de pasos previstos o necesarios, transiciones de peralte, presencia de mediana, puntos altos y bajos.

Climatológicos: régimen seco con chubascos, régimen de lluvias continúas.

Hidrológicos: presencia, nivel y caudal de aguas subterráneas, aportación y desagüe de aguas superficiales, escorrentía.



Geotécnicos: naturaleza y condiciones de los suelos, posibilidad de corrimientos y erosión, permeabilidad.

Se procurará definir tramos homogéneos, en relación con estos factores, a los que se pueda dotar de redes de drenaje superficial del mismo tipo.Se prestará especial atención a la posibilidad de modificar el trazado donde la inclinación de la línea de máxima pendiente de la plataforma resulte muy baja, y a las repercusiones de algunos elementos del drenaje superficial -tales como las cunetas de guarda y las balsas laminadoras de crecidas- en las necesidades de ocupación de terrenos.Se recomienda elegir soluciones que, además de eficientes, sean sencillas, robustas y de fácil mantenimiento.

5.3.1.2. Punto de desagüe

A fin de disminuir todo lo posible los caudales a evacuar, se desaguará la red de drenaje superficial siempre que sea posible, excepto en zonas muy sensibles a la contaminación donde convenga evitar todo vertido de aguas pluviales:

En zona urbana, donde exista una red de alcantarillado y el uso del suelo conduzca a mayores coeficientes de escorrentía, será generalmente preciso recurrir a sumideros –a menudo mixtos en presencia de aceras- y colectores que desagüen al alcantarillado, cuya capacidad ante estas aportaciones deberá comprobarse. El agua procedente del drenaje superficial deberá llevarse separada de las aguas negras, salvo que el alcantarillado sea unitario y esté provisto de sifones.

En zona peri urbana, donde no se disponga de un sistema generalizado de alcantarillado -aunque haya un cierto uso urbano del suelo- no se podrá desaguar a cauces naturales sin antes comprobar su capacidad ante la aportación del drenaje superficial y, en su caso, prever las medidas a adoptar, acondicionamiento del cauce, colectores, balsas laminadoras de crecidas, etc.

Fuera de poblado, el desagüe del drenaje superficial deberá hacerse, en general, a dónde y como iría normalmente el agua de no existir la carretera, o a cauces naturales o artificiales, dotados de las protecciones necesarias para evitar erosiones o sedimentaciones perjudiciales, disponiendo si es preciso dispositivos de disipación de energía, especialmente donde se vierta en régimen rápido o sea preciso desviar un cauce. En particular, las aguas procedentes de desmontes no deberán verterse por los terraplenes contiguos sin disponer las cunetas o protecciones necesarias.



Donde sea preciso desaguar por infiltración a un terreno permeable se distribuirá el caudal de forma que la velocidad sea reducida, para facilitar aquélla.

5.3.2. PLATAFORMA

Al proyectar la sección transversal de la plataforma de la carretera, tanto en su geometría como en su constitución, deberá tenerse en cuenta su red de drenaje superficial. La escorrentía superficial, en flujo difuso, será recogida y evacuada -en general- por caces y cunetas longitudinales que, al mismo tiempo, recogerán y evacuarán la de los márgenes de la carretera que desagüen hacia ésta.

5.3.2.1 Carreteras de calzada única

La pendiente de la plataforma deberá asegurar el drenaje superficial del agua que caiga sobre la calzada y arcenes, de manera que su profundidad en flujo no rebase el límite a partir del cual los neumáticos pueden disminuir su rozamiento por fenómenos de hidroplaneo, habida cuenta de la textura del pavimento y de la velocidad de los vehículos.

La línea de máxima pendiente en cualquier punto de la plataforma no deberá tener una inclinación inferior al 0,5 por 100.

Para la pendiente transversal de la calzada en alineaciones rectas se procurará adoptar los valores más elevados de las compatibles con la seguridad de la circulación. En alineaciones curvas la calzada deberá tener una pendiente transversal única (peralte) hacia el interior, constante en las alineaciones circulares.

Las transiciones de peralte entre curvas en S no deberán disponerse en tramos cuya rasante tenga una inclinación menor del 0,5 por 100, salvo que se adopten precauciones especiales como las representadas en la Donde esas transiciones sean largas se podrá abreviar la parte de ellas cuyo peralte no rebase el 2 % en valor absoluto, sin que la extensión de esa parte abreviada baje de la necesaria para que el peralte varíe a una velocidad no superior a la máxima admisible En tramos rectos cortos entre curvas del mismo signo se considerará la conveniencia de mantener en ellos el menor de los peraltes de aquéllas.

Medidas para facilitar el drenaje en el caso de transiciones largas entre curvas en S

Donde se empleen pavimentos drenantes o dotados de ranuras transversales se podrá prescindir de algunas de las precauciones anteriores, siempre que se justifiquen sus condiciones de desagüe.Las bermas deberán verter hacia el exterior de la plataforma, y su pendiente transversal no deberá rebasar 1/6; sus aristas deberán redondearse con un radio mínimo de 10 m.


http://carreteros.org/drenaje/5_2ic/imagenes/f_3_2.htm




La pendiente transversal de las aceras elevadas deberá estar comprendida entre el 2,5 por 100 y el 3 por 100 hacia la calzada.Deberán evitarse las aportaciones superficiales de agua precipitada sobre zonas contiguas; en ningún caso se permitirá que se produzcan arrastres de tierra hacia la calzada.

5.3.3 MARGENES DE LA PLATAFORMA: EXPLANACIONES

Se recomienda prever, construir y mantener cunetas provisionales profundas durante la construcción de las explanaciones.Donde su naturaleza o la aridez del clima no lo impidan, se procurará sembrar los taludes, bermas y cunetas para evitar su erosión; en este caso, podrá ser necesario disponer protecciones provisionales (mallas biodegradables, tepes) en su superficie o coronación, durante la nascencia de la semillas.

5.3.3.1. Desmontes

La escorrentía de los taludes del desmonte se recogerá mediante caces y cunetas, eventualmente complementados por colectores

Drenaje superficial en desmontes

En taludes que reciban escorrentías importantes por su coronación o por eventuales banquetas, podrá ser necesaria la implantación de cunetas de guarda y, en su caso, bajantes. Deberá tenerse en cuenta que las infiltraciones por la cuneta de guarda pueden comprometer la estabilidad del talud en cuyo caso la cuneta deberá revestirse. Su borde deberá distar entre 1 y 2 m de la coronación del talud, y para el paso de los equipos de conservación deberá preverse acceso y espacio entre ella y el límite de la zona de dominio público.

5.3.3.2. Terraplenes

Donde la escorrentía de la plataforma hacia el talud de terraplén sea importante, podrá ser necesario disponer -incluso provisionalmente durante la construcción- un caz de coronación que desagüe a unas bajantes, para evitar erosiones y cárcavas en el terraplén, donde la altura de éste sea superior a un límite comprendido entre 2 m en zonas muy lluviosas y erosionables, y 4 m en zonas áridas y poco erosionables. Este caz deberá ir limitado por un bordillo montable cuya altura no deberá exceder de 10 cm., colocado a menos de 10 cm. delante de la barrera de seguridad, si la hubiere, y de forma que un impacto sobre ella no lo deteriore.

Drenaje superficial en terraplenes

Donde los caudales procedentes de la plataforma y el terraplén no puedan evacuarse directamente al terreno sin daños a los colindantes, o donde el terreno contiguo vierta hacia la carretera, deberá disponerse una cuneta de pie, la cual se colocará a una distancia mínima de 1,5 m (mínimo absoluto 1 m) del pie del talud y, donde no






exista barrera de seguridad, su sección transversal deberá tener en cuenta la seguridad de los vehículos que la puedan atravesar.

5.3.4 ELEMENTOS SUPERFICIALES

5.3.4.1. Generalidades

Las alcantarillas y elementos enterrados del drenaje superficial deberán proyectarse de forma que no se mantengan durante la construcción de las explanaciones y firme de zonas de gran superficie (intersecciones, enlaces, aparcamientos, etc.). Las arquetas y sumideros deberán acoplarse a su situación definitiva una vez terminada dicha construcción.

Será preciso indicar en los planos de drenaje hacia donde va el agua que proviene de cada superficie, a fin de evitar errores de diseño o construcción que causen profundidades excesivas del agua en zonas de escasa pendiente.

5.3.4.2. Intersecciones y enlaces

En intersecciones complicadas se recomienda trazar un plano con curvas de nivel de 5 en 5 o de 10 en 10 cm., por ser muy difícil sin él compaginar en fase de proyecto las pendientes longitudinales, peraltes y contornos de isletas de modo que el conjunto drene y sea satisfactorio para la circulación.

Se evitará en particular que los ramales o vías de giro secundarias viertan a carriles donde se pueda circular a gran velocidad, disponiendo el entronque en ligera contra pendiente o colocando antes de él un sumidero continuo en la carretera secundaria.

Se estudiará la posibilidad de utilizar las isletas y espacios entre ramales para fines accesorios (bolsas de laminación de crecidas, separadores de aceites.. .) .

5.3.4.3. Aparcamientos y otras zonas llanas

Estos elementos deberán tener formas y pendientes que aseguren su drenaje, y nunca podrán verter a la carretera. Donde sean muy anchas será preciso disponerlos en tejadillo o en cubetas con sumideros. Su línea de máxima pendiente no deberá tener una inclinación menor del 1 por 100. Donde la anchura será menor de 20 m y dicha inclinación no sea inferior al 1,5 por 100 se podrá prescindir de sumideros interiores, vertiendo a cunetas o sumideros perimetrales.

Donde sean de temer vertidos de aceites y carburantes (estaciones de servicio, talleres, reparación de vehículos), se estudiará la necesidad -según el mayor o menor riesgo de vertido y el tipo de



perjuicios posibles (contaminación de aguas potables o estanques)- de disponer un separador de aceites en el punto de desagüe.

Donde el vertido de estos productos sea frecuente será necesario aislar y proteger la zona en que se produzca, de modo que no se dañen los pavimentos.

5.3.5 OBRAS DE PASO, MUROS

5.3.5.1. Obras de paso

No deberán proyectarse pasos inferiores donde sea difícil el desagüe por gravedad del caudal de referencia, Excepcionalmente y con las debidas justificaciones de necesidad, posibilidades de explotación segura y economía.Salvo que sea inevitable conducirla a lo largo de la obra de paso, el agua del drenaje superficial deberá desaguarse antes de alcanzarla, especialmente en terrenos agresivos.

Los tableros de los pasos superiores pueden ser más propicios a la formación del hielo que los pavimentos contiguos, lo que puede aumentar la necesidad de evacuar de ellos rápidamente el agua y, donde se prevea el uso de fundentes, de extremar la prevención de infiltraciones o retenciones de agua, especialmente perjudiciales. Se cuidará que el agua no penetre por las juntas, utilizando modelos impermeables a todo lo ancho del tablero y evitando el paso de corrientes importantes sobre ellas.

Se evitará que el agua escurra por los paramentos, disponiendo en éstos rebordes o goterones y, especialmente, encauzándola mediante bordillos y desaguándola cada 10 a 20 m, bien a través de sumideros o colectores que la lleven a unas bajantes; aunque este último sistema puede presentar inconvenientes -posibilidad de obstrucciones y corrosiones- y por tanto no siempre resulta recomendable.

No deberán verterse aguas libremente a otras vías o zonas habitadas, exceptuándose caudales inferiores a unos 2 l/min., y siempre que no caigan directamente sobre calzadas. En todo vertido libre será preciso evitar daños por la caída del agua, protegiendo la zona de impacto -con la extensión adicional que pueda requerir la influencia del viento- y aumentando el número de puntos de vertidos para disminuir el caudal de cada uno de ellos.

Los colectores deberán poder ser conservados fácilmente a través de arquetas o puntos de limpieza y un diseño poco propicio a atascarse o almacenar agua, en particular, no deberán tener puntos más bajos que los desagües. Los tubos deberán ser impermeables y duraderos, y no tener menos de 15 cm de diámetro. Los sumideros tendrán rejillas adecuadas para prevenir la entrada de residuos de tamaño excesivo, y se recomienda disponer aliviaderos que permitan verter el agua libremente fuera del tablero si alguno de ellos se atascara.



5.3.5.2. Muros y estribos

En muros y estribos será preciso evitar que las aguas superficiales se infiltren por su trasdós y asegurar su evacuación.

Los colectores que se dispongan en muros o estribos deberán poder limpiarse fácilmente con agua a presión, disponiéndose los registros y arquetas oportunos. Donde se teman depósitos calizos será preciso extremar la posibilidad de limpieza.

5.3.6. DISPOSITIVO DE RECOGIDA Y EVACUACION DE AGUAS

5.3.6.1. Condiciones generales

Al ser relativamente constantes la sección y pendiente de un dispositivo de recogida y evacuación de aguas, y ser su caudal de referencia aproximadamente proporcional a la longitud de carretera desaguada (contada desde el origen de la red), dicha longitud no podrá rebasar un cierto límite máximo sin que deje de cumplirse alguna de las condiciones expuestas en el y resulte necesario cambiar de sección o de pendiente, o desaguar a otro dispositivo o al punto de desagüe de la red.

Se utilizarán preferentemente dispositivos superficiales -caces y cunetas- cuyos costes de construcción y conservación son inferiores a los de los dispositivos enterrados (sumideros y colectores), y en caso alguno ni unos ni otros podrán constituir un peligro para los vehículos que los atraviesen al salirse de la plataforma.

Si la capacidad de desagüe de los dispositivos superficiales se viera rebasada antes de llegar al punto de desagüe de la red, deberán complementarse por colectores a los que viertan a través de sumideros.

Se procurará tipificar estos dispositivos, a fin de conseguir economías por ejecución en serie o por prefabricación. Se escogerán dispositivos que pueden conservarse fácilmente, no causen riesgos a la circulación y sean robustos. Donde hiele, serán preferibles los revestimientos de hormigón a los de mampostería.

Se proyectarán los detalles precisos para pasar de un tipo de dispositivo a otro, tales como empalmes en arquetas, partidores, etc. Será fundamental asegurar la continuidad de cada elemento de la red de drenaje superficial de la plataforma y sus márgenes, que no deberá interrumpirse por estructuras u obras de paso.

Los cambios de dirección, de sección o de pendiente -salvo que sean pequeños- o las confluencias de conductos pueden provocar fenómenos hidráulicos no tenidos en cuenta por las fórmulas de pérdida de energía. Esos defectos se deberán corregir preferentemente mediante



dispositivos locales; por ejemplo, una pérdida de energía podrá compensarse a veces por un aumento equivalente de desnivel, que evite la propagación aguas arriba de un remanso.

Se procurará evitar el depósito de arrastres en los elementos del drenaje superficial de la plataforma y sus márgenes, o a su entrada, salvo en los puntos de fácil limpieza en los que se provoquen esos depósitos, evitando el estancamiento en los puntos bajos y asegurando una velocidad mínima al agua.

Se deberá tener en cuenta que el refuerzo de un firme puede conducir a costosas reformas de los dispositivos de recogida y evacuación de aguas, especialmente si se hallan muy próximos al borde de la calzada.

5.3.6.2. Cunetas

Una cuneta es una zanja longitudinal abierta en el terreno junto a la plataforma.La cuneta tendrá igual pendiente longitudinal que la rasante de la carretera, salvo que se estime necesario ceñirse más al terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la capacidad de desagüe.

Cunetas

Salvo justificación en contrario, se utilizará uno de los tipos de cunetas indicados en las Normas Peruanas para Carreteras La elección se hará basándose en los criterios siguientes:

Siempre que consideraciones económicas o de espacio no lo impidan, deberá atenderse preferentemente a las condiciones de franqueamiento seguro del perfil transversal de la cuneta por los vehículos que se salgan de la plataforma. A estos efectos, se podrá considerar que se dan tales condiciones donde la inclinación de los taludes de la cuneta sea inferior a 1/6 y sus aristas estén redondeadas con un radio mínimo de 10 m; en caso contrario, podrán aplicarse los criterios expuestos en la para cunetas triangulares y trapeciales. Las cunetas reducidas sólo podrán emplearse en terreno accidentado y deberán siempre cubrirse o protegerse con barreras de seguridad.

Las dimensiones y pendiente longitudinal de la cuneta deberán asegurar que, cuando desagüen el caudal de referencia. Si fuera a tener efectos perjudiciales sobre el firme por infiltración de las aguas de la cuneta:

El nivel de la lámina libre no deberá rebasar el de la explanada, o bien deberá disponerse un drenaje profundo bajo la cuneta, y su superficie deberá impermeabilizarse revistiéndola con hormigón, piezas prefabricadas, encachados de piedra o materiales bituminosos.

La necesidad de revestimiento será mayor:





Donde la velocidad del agua sea elevada. En zonas de clima de lluvia suaves, se podrá admitir que una cuneta no es erosionada si su pendiente no rebasa el 4 %; en zonas de clima más irregular , dicho límite se rebajará hasta el 3 %.

Donde la velocidad del agua sea muy baja y se produzcan sedimentaciones. Se podrá admitir que esto ocurre donde la pendiente sea inferior al 1 %.

Donde se desee evitar infiltraciones explanadas susceptibles, cunetas de guarda, protección de un acuífero, etc.

Podrán revestirse únicamente las partes más bajas, dimensionadas para un período de retorno menor que el especificado en el, si se comprobase que el caudal de referencia no causa erosiones en el resto.La siembra de especies herbáceas en las cunetas mejora sus condiciones de desagüe, al aumentar tanto el tiempo de concentración como el umbral de escorrentía, y protege contra la erosión. Podrán emplearse dispositivos (mallas biodegradables, tepes) que eviten la erosión durante la nascencia de la siembra.

Para pendientes mayores de 7 % será preciso adoptar precauciones especiales contra la erosión: disponer escalones para disipar la energía cinética del agua -protegiendo su pie para evitar socavaciones regresivas- o revestir las cunetas en paramentos irregulares. En este último caso, si funcionasen en régimen rápido (número de Froude superior a 1) habrá que disponer sobre-elevaciones de los cajeros en los cambios de dirección, debido a los resaltos y ondas que pudieran aparecer.

5.3.7. Hidrología de Cunetas y/o canales de Coronación

Tanto las cunetas como los canales de coronación constituyen las estructuras laterales de intercepción más importantes del sistema de drenaje. Pues su función es captar las aguas, conducirlas y entregarlas al sistema transversal de drenaje.

5.3.7.1. Intensidades de Diseño

Teniendo en cuenta la categoría de carretera del presente proyecto, la seguridad y economía del mismo, la intensidad máxima prevista para el diseño se determina del siguiente modo:

Del cuadro Nº 03 seleccionamos el evento de diseño de 4 años de tiempo de retorno, correspondiente a la incertidumbre del 75% en un periodo de 5 años consecutivos. Luego, considerando que las áreas parciales de drenaje tienen tiempos de equilibrio comprendidos entre 19 y 92 minutos, se determina que la intensidad media en el área de estudio de 62 mm/h (ver cuadro Nº 03).



El término de escorrentía transpuesto desde la localidad de Cajamarca con un factor de ajuste de 1.14 por cantidad de agua precipitable permite obtener un gasto específico para la zona del proyecto equivalente a 1.10 L/s x m.

5.3.7.2. Máxima Escorrentía Directa

Teniendo en cuenta la topografía y relieve del terreno, tipo de suelo, cobertura vegetal y almacenamiento transitorio, el coeficiente de escorrentía directa se estima en 0.30.

El gasto máximo de escorrentía directa puede en consecuencia estimarse mediante:

QM á x = Gasto máximo de escorrentía directa, m 3 /sI = Intensidad máxima de diseño, mm/hA = Area colectora, HaC = Coeficiente de escorrentía directa

Teniendo en cuenta el área receptora – colectora y la longitud de la vía, se ha determinado un gasto específico de escorrentía de 1.10 L/s x m.

5.3.8. Hidrología de Alcantarillas

Las alcantarillas son pasos de agua transversales que permiten evacuar los flujos concentrados y los provenientes del sistema de coronación y cunetas contiguas.

5.3.8.1 AlcantarillasLas alcantarillas o pases de agua hacia cursos no establecidos se diseñarán con descargas de 1.07 m3/s, en los cálculos para cada área y de acuerdo con la intensidad encontrada para cada una de las sub cuencas se puede verificar que los caudales son del orden de 500 ls/seg , para el diseño hay que tener en cuenta los posibles derrumbamientos, mal manejo de cunetas y otros.

Si tenemos:

I= 62 mm/h.

C= 0.30

A= 7.50 Ha.

Considerando: una longitud máxima de cuneta de aporte hacia la alcantarilla de 250 m. y una franja de aporte de 300 m. desde la



cuneta hacia la parte más alta, se tiene un área de aporte de 7.50 Ha., por tanto, el caudal de diseño será:

QM á x = (0.30 x 62 x 7.50)/360 = 0.523 m3/seg.

QM á x = 523 lt/seg

5.4. CAPACIDAD DE DEGRADACIÓN DE LA MICROCUENCA

La pérdida potencial de suelo depende del relieve, pendiente, altitud, tipo de suelo, cobertura vegetal y pluviosidad.

5.4.1. Potencial Erosivo

La fuerte pendiente promedio de la cuenca (28%), topografía accidentada, escasa cobertura vegetal, alta pluviosidad (817 mm/año) e intensas precipitaciones, hace predecir un alto potencial erosivo en el área del proyecto; característica ésta determinada por el alto valor del Coeficiente Orográfico estimado en 0.065.

5.4.2. Pérdida de Suelo

La degradación de la cuenca se debe básicamente a la erosión hídrica y al transporte de sólidos por la escorrentía directa, la misma que se encuentra directamente relacionada con el potencial erosivo. La capacidad de degradación o pérdida de suelo se puede estimar a partir de la ecuación:

S = Degradación específica, Tn./Ha x añoPm = Precipitación del mes de máxima pluviosidad, mmP = Módulo pluviométrico anual promedio, mmCo = Coeficiente orográfico, %

Para la micro cuenca en estudio se ha encontrado que la precipitación del mes de máxima pluviosidad es 55 mm (noviembre), módulo pluviométrico anual 55 mm (Ref. Senamhi) y coeficiente orográfico 0.065. Con estos datos y mediante la aplicación de la ecuación 4.1 se obtiene una degradación específica de 2.60 Tn./Ha. x año. Sin embargo, no todo el material removido llega al punto emisor sino que parte de éste queda sedimentado nuevamente en los puntos más bajos del área colectora, siendo por tanto necesario estimar un Factor de Entrega , el mismo que depende del tamaño y de las características de la cuenca. Para este caso se estima un factor de entrega promedio de 0.30 (Ref.3), con lo cual se obtiene una capacidad de degradación específica neta de 0.78 Tn./Ha. x año.

Teniendo en cuenta la altitud promedio de la microcuenca (1435.90 msnm), puede afirmarse, tal como se verifica en el campo, que la pérdida de suelo está conformada en su mayoría por partículas finas



en suspensión con muy poco material de arrastre (no excede el 10%).

5.5. HIDRAULICA DEL DRENAJE SUPERFICIAL.

Los aspectos de mayor importancia en la hidráulica del drenaje superficial es el drenaje longitudinal (cunetas) y el drenaje transversal (alcantarillas en cauces establecidos y no establecidos). Cuando las estructuras de este último caso modifican la sección transversal del cauce en sus dimensiones transversales, pueden ocasionar consecuencias indeseables debido a socavamientos o sedimentaciones. Es de hacer hincapié que, en lo posible, la sección transversal no debe ser alterada sobre todo en sus dimensiones naturales, pues los ensanchamientos o estrechamientos del cauce modifican completamente el patrón de flujo, cuya distorsión provoca sedimentación o erosión localizada y por lo tanto daños debido a inundaciones o por socavamientos.

El cálculo hidráulico de puentes, alcantarillas y cunetas se realiza mediante la ecuación de Manning.

Q = Gasto de conducción, m 3 /s A = Area hidráulica, m 2

R = Radio hidráulico, m S = Pendiente hidráulica

n = Rugosidad de Manning

5.5.1 HIDRAULICA DE CUNETAS

Son las estructuras de interceptación de flujos laterales más importantes del sistema de drenaje de carreteras.

5.5.1.1 Hidráulica de Cunetas

Similarmente a los canales de coronación, las cunetas se han diseñado con el mismo ángulo de reposo, sin revestimiento y con el íntegro del caudal calculado para estos casos, aplicando H CANALES.

5.5.1.2 Hidráulica de Alcantarillas

Se consideran las estructuras más importantes del sistema de drenaje transversal, pues reciben el flujo lateral y/o de los cauces naturales para evacuar rápidamente sin deteriorar la vía. Si existen cauces establecidos, las estructuras no deberán alterar sus dimensiones naturales, pues la modificación del patrón de flujo ocasiona consecuencias desastrosas.



ALCANTARILLAS SOBRE QUEBRADAS MENORES

Este tipo de estructuras permite el paso de agua en cauces establecidos sin causar problemas en eventos hidrológicos extraordinarios.

Características Hidráulicas .

Tanto los pontones como las alcantarillas tendrán una geometría de sección tipo rectangular, con pequeños estribos y muros guía vertical, con losa de fondo de concreto o enrocado.

La topografía del terreno en los tramos de cruce, en general es bondadosa que permite en casi todos los casos diseñar en régimen crítico, el mismo que ofrece ventajas en cuanto a máxima capacidad de descarga, manteniendo la erosión y sedimentación controladas.

5.5.2.2. HIDRAULICA DE ALCANTARILLAS

Por ventajas de tipo económico, la geometría de la sección transversal es de forma circular. Por razones de control de la erosión y sedimentación, así como para tener secciones transversales con máxima capacidad de descarga, se ha optado por diseños hidráulicos en régimen crítico en vista también de las bondades topográficas en las depresiones o cauces establecidos, tal como se comentó anteriormente.

Habrá un tipo de alcantarilla, de acuerdo con su ubicación, las que obligadamente se sitúan en las depresiones topográficas o cauces establecidos y las que se ubican en puntos sin cursos establecidos.

Todas estas estructuras han sido diseñadas de acuerdo a las normas establecidas y caudales calculadas.

5.6 IMPACTO AMBIENTAL DEL DRENAJE

Resulta irónico en esta época que el Ingeniero de Caminos aún no entienda que su obra tiene repercusión negativa en la ecología y el paisaje, aun cuando tenga impacto positivo en el orden social y económico. El problema se agrava si se tiene en cuenta que en el Perú la Evaluación del Impacto Ambiental no tiene todavía un marco legislativo - administrativo específico que permita prever, corregir y valorar los impactos que sobre el entorno puede producir un proyecto determinado.

La lista orientativa de posibles impactos se puede analizar en dos etapas: Fase de construcción y fase de operación.



5.6.1. Impacto en la Fase de construcción

Impacto por erosión y pérdida de suelo, desestabilización de taludes, destrucción de vegetación, valores paisajísticos. El problema es aún más acentuado cuando tienen que realizarse cortes en laderas de fuertes pendientes, como es el caso de las carreteras que se ubican en la sierra.

5.6.2. Impacto en la Fase de Operación

Impacto debido a erosiones de la escorrentía directa por falta o deficiencias en los sistemas de drenaje superficial y falta o deficiencias en la estabilidad de taludes en las zonas de cortes. Los problemas de erosión más frecuentes se deben a las incorrectas entregas de los sistemas colectores laterales (canales de coronación, cunetas) a los cauces naturales y más aún cuando estas entregas no se hacen a dichos cursos sino a otras áreas vulnerables a la erosión dando origen a socavamientos y cárcavas que van progresando con el tiempo. Los drenes transversales o alcantarillas mal planteados también causan los mismos problemas erosivos que los laterales con consecuencias aún más graves. La falta de inclinación de la banqueta hacia el talud con pendiente positiva (hacia la cuneta), en zonas de corte, puede provocar daños erosivos por escorrentía en el talud de pendiente negativa y aguas abajo.

Los taludes de las zonas de corte, cuando no se les ha dado cuanto menos el ángulo de reposo del material en estado saturado, sufren derrumbes o desprendimientos de grandes masas de suelo aumentando los problemas erosivos y los costos de mantenimiento de la vía.

El Impacto Ambiental se basa en el diseño de matrices de impactos versus factores ambientales afectados que será objeto de una valoración cuantitativa y/o cualitativa, cuyo resultado será una valoración global del impacto del proyecto sobre el medio. Con esta base, luego se plantean las medidas correctivas para la eliminación o minimización de las alteraciones o impactos negativos.

5.7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.7.1. Conclusiones

1. La intensidad máxima, para los tiempos de concentración promedio de las áreas colectoras, se ha fijado en 62 mm/h.

2. La degradación neta promedio en el área de estudio ha sido cuantificada en 0.78 Tn/Ha x año. La mayor parte de esta masa es material fino en suspensión en el agua de escorrentía, siendo mínimo el material de arrastre (menos del 10%).

5.7.2. Recomendaciones



1. Forestación, con especies vegetales adecuadas, en áreas críticas desprotegidas a fin de controlar la erosión.

2. Las cunetas deberán descargar a cursos naturales ya establecidos; de no ser posible deberán hacerlo hacia zonas previamente seleccionadas por su baja vulnerabilidad a la erosión, cuyas entregas las realizan a las alcantarillas o pases transversales ubicados en puntos donde no existen cursos establecidos

3. Los drenes transversales o alcantarillas deberán ubicarse también, de preferencia, en los cursos naturales bien establecidos; de lo contrario tomar las mismas precauciones que para los canales de coronación.

4. Los taludes, en las zonas de corte, deberán tener como mínimo el ángulo de reposo del suelo en estado saturado, para garantizar su estabilidad. Se evita así problemas erosivos y de deslizamientos, los que incrementan sustancialmente los costos de mantenimiento.

5. En las zonas de corte en laderas, la banqueta debe tener una inclinación transversal (5%) hacia la cuneta opuesta ubicada al pie del talud de pendiente positiva, esto permite evitar daños en el otro talud y zonas de aguas abajo por erosión de la escorrentía.


Hidrologia y Drenaje

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