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[INGENIERÍA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS]

INGENIERIA CIVIL

“DRENAJE DE CARRETERAS”

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RESUMEN

En presente informe comprende la evaluación de un kilómetro de una carretera de su plano en planta y perfil, para realizar la ubicación de las obras de arte planteadas en una carretera como son: contracunetas, cunetas, aliviaderos y alcantarillas, para luego de su correcta ubicación realizar su correspondiente diseño.

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I. INTRODUCCION La lluvia que cae sobre la superficie de la tierra, una parte escurre inmediatamente reuniéndose en corrientes de agua; otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno. Cuando el agua de escurrimiento o de infiltración alcanza la carretera, si no se dispone de los elementos necesarios para conducirla o desviarla, puede ocasionar la inundación de la calzada, el debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrumbe de los taludes, con graves perjuicios para el usuario de la vía y para la economía de la nación. La remoción de las aguas superficiales, ya sea que éstas caigan directamente sobre la plataforma de la vía o sobre las cuencas tributarias de las corrientes que debe cruzar la carretera, se logra a través de las obras de drenaje superficial; la remoción de las aguas subterráneas, mediante los subdrenajes.

Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una carretera: la Topografía, la Hidrología y la Geología de la zona; variadas ramas de la ingeniería participan en la solución del problema: la estadística, la hidráulica, el diseño estructural, etc. Debido a las diferencias en las características topográficas, hidrológicas y geológicas, los métodos de diseño de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las fórmulas pueden variar mucho de un sitio a otro. Ello obliga, en este texto, a una exposición de carácter fundamental, donde se señalen las prácticas de mayor aceptación. La función de los drenajes superficiales de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias para el paso de aguas de un lado a otro de la vía, y para el drenaje de las aguas que caen directamente encima de la plataforma y de otras áreas que desagüen en ella.

En el orden enunciado, esta función es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por las zanjas, cunetas y desagües pluviales. Una alcantarilla 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 las alcantarillas, generalmente no forma parte del pavimento de la carretera.

El drenaje transversal de la carretera se consigue mediante alcantarillas cuya función es proporcionar un medio para que el agua superficial que escurre por cauces naturales o artificiales de moderada importancia, en forma permanente o eventual,

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pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin causar daños a ésta, riesgos al tráfico o a la propiedad adyacente.

I.1 OBJETIVOS General  Realizar el drenaje superficial adecuado de 1 Km. de una carretera.

Específicos  Diseño de contracunetas  Diseño de cunetas  Diseño de alcantarillas  Diseño de aliviaderos

I.2 JUSTIFICACIÓN El trabajo se realizó aplicando los conocimientos impartidos en clase, así como con los conocimientos previos de mecánica de fluidos y diseño de canales. Este trabajo se justifica ya que, uno de los mayores problemas de las carreteras es el agua superficial (precipitaciones) y sub superficial (agua subterránea), que disminuyen considerablemente la vida útil de estas obras de importancia para el desarrollo, por lo que es de vital importancia, que los estudiantes de ingeniería civil debemos estar en la capacidad de realizar el diseño del drenaje de dichas carreteras evacuando en forma adecuada dichas aguas superficiales, mediante metodologías adecuadas, económicas y factibles.

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II.

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MARCO TEORICO. 2.1)

CUNETAS Se refiere a la zanja lateral paralela al eje de la carretera o del camino

construido entre el borde de la calzada y el pie del talud. Su sección transversal es variable según sea la sección del diseño. Siendo común la de forma triangular. También se pueden construir de forma trapezoidal y cuadrada. La forma triangular es preferible porque facilita su limpieza por medios mecánicos. El área hidráulica de la cuneta debe estar en el rango 0.18 – 0.20 m2 y las dimensiones recomendadas, según el tipo de cuneta, son las que aparecen en la siguiente ilustración.

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2.2)

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ALCANTARILLAS

Se entiende por alcantarilla a una estructura de drenaje cuya luz mayor, medida paralela al eje de la carretera, sea de hasta 6 m; Losas de luces mayores, se tratarán como puentes en lo relativo a su cálculo hidráulico. La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del tráfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la construcción, etc., es decir, también debe cumplir requisitos de tipo estructural.

 UBICACIÓN,

ALINEACIÓN

Y

PENDIENTE

DE

LAS

ALCANTARILLAS

La adecuada elección de la ubicación, alineación y pendiente de una alcantarilla es importante, ya que de ella depende su comportamiento hidráulico, los costos de construcción y mantenimiento, la estabilidad hidráulica de la corriente natural y la seguridad de la carretera. En general, se obtendrá la mejor ubicación de una alcantarilla cuando ésta se proyecta siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural, ya que existe un balance de factores, tales como, la pendiente del cauce, la velocidad del agua y su capacidad de transportar materiales en suspensión y arrastre de fondo. Cuando se cambia cualquiera de estos factores es necesario compensar con cambios en otro de ellos. Por ejemplo, si se acorta un canal largo, se aumenta la pendiente y como consecuencia, aumenta la velocidad. Un aumento en la velocidad tiene como efecto secundario problemas de erosión, que agrandan la sección hasta que las pérdidas por fricción compensan el aumento de pendiente y reducen la velocidad hasta límites bajo aquellos que producen erosión. En un caso como el expuesto o en general para prevenir la erosión se puede revestir el cauce, o darle al canal una forma tal que reduzca la velocidad, debido al aumento de la rugosidad. Al alargar un canal corto ocurre la situación contraria. Se produce una disminución de la pendiente y como consecuencia disminuye la velocidad. Con esto, la capacidad para transportar materiales en suspensión se reduce y éstos se depositan. Para estos casos es INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS

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necesario tratar de mantener la velocidad original cambiando la forma del canal o disminuyendo la rugosidad.

2.2.1 Ubicación en Planta Desde el punto de vista económico el reemplazo de la ubicación natural del cauce por otra normal o casi normal al eje del camino, implica la disminución del largo del conducto, el acondicionamiento del cauce y la construcción adicional de un canal de entrada y/o de salida. Las distintas soluciones que podrían darse en el caso general, de un cauce con fuerte esviaje aparecen en la Figura 2.1.

Figura 2.1 Cauces con fuerte esviaje respecto del eje del camino

Caso 1: Se conserva la entrada y la salida del canal natural. Esta solución de la longitud máxima de alcantarilla colocando la alcantarilla ligeramente a un lado del canal natural se puede obtener por lo general una mejor función, siendo necesario desviar la corriente. Caso 2: La entrada se la coloca en el canal natural y la salida se desplaza para tener una alcantarilla casi normal al eje de la carretera. Como en este caso se ha alargado la línea de flujo, esto será acosta de reducir la pendiente. Las estructuras de entrada y salida y la alineación del canal deben hacerse a tal modo de minimizar los efectos de cambios bruscos de dirección. Ello podría aumentar la sección de la alcantarilla comparada con INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS

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la de la solución anterior. En los efecto será necesario considerar estructuras especiales en la entrada y salida, la construcción del canal a la salida y su mantención. Caso 3: Se ha desplazado la entrada de modo que la salida descargue directamente en el canal natural. El canal de acercamiento a la alcantarilla debe tener una buena alineación con ella para necesitar una entrada o salida especial. El tamaño del la alcantarilla puede ser influenciado por el hecho que al aumentar la longitud de flujo debe reducirse la pendiente. Habrá costos adicionales por construcción y mantención del canal, un posible mayor diámetro y protección del terraplén en la entrada. Caso 4: En este caso se ha desplazado, tanto la entrada como la salida. No se obtiene un mejoramiento hidráulico con esta solución y solo conviene usarla cuando hay restricciones de espacio para otras soluciones. En este caso se requieren estructuras especiales de entrada y de salida de canales de acercamiento en los dos extremos, los que deben considerarse en el costo, además de una posible mayor sección de la alcantarilla debido a la disminución de la pendiente.

2.2.2 Perfil Longitudinal

La mayoría de las alcantarillas se colocan siguiendo la pendiente natural del cauce, sin embargo, en ciertos casos puede resultar aconsejable alterar la situación existente. Estas modificaciones de pendiente pueden usarse para disminuir la erosión en el o en los tubos de la alcantarilla, inducir el depósito de sedimentos, mejorar las condiciones hidráulicas, acortar las alcantarillas o reducir los requerimientos estructurales. Sin embargo, las alteraciones de la pendiente deben ser estudiadas en forma cuidadosa de tal modo de no producir efectos indeseables. En la Figura 2.2 se indican los perfiles longitudinales de alcantarillas más usuales con sus respectivas estructuras especiales de salida o de entrada. En general, al cambiar la pendiente en cada uno de estos casos, debe tenerse especial cuidado que el terreno de fundación de la alcantarilla no permita asentamientos, debiendo ser terreno natural firme o relleno estructural debidamente compactado, en caso contrario las fuerzas de corte causadas por el asentamiento de terraplenes importantes, pueden causar el colapso total de la estructura.

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Figura 2.2 Ubicación de alcantarillas, respecto de la pendiente del cauce

2.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA 2.3.1 Forma y sección Las formas usuales de alcantarillas son: Circulares, Cajón (rectangular), Elíptico, Tubo – Arco, Arco y múltiples. La selección de la forma está basado en el coste de la construcción de la alcantarilla, las limitaciones de la altura de agua río arriba, altura de terraplén de calzada, y rendimiento hidráulico. INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS

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Figura 5.3 Formas de la alcantarilla La alcantarilla circular es una de las más usadas y resiste en forma satisfactoria, en la mayoría de los casos, las cargas a que son sometidas. Existen distintos tipos de tubos circulares que se utilizan con este propósito. El diámetro para alcantarillas de caminos locales o de desarrollo deberá ser al menos 0,8 m, o bien 1m si la longitud de la obra es mayor a 10 m. En las demás categorías de caminos y carreteras el diámetro mínimo será de 1 m. Las alcantarillas de cajón cuadradas o rectangulares pueden ser diseñadas para evacuar grandes caudales y pueden acomodarse con cambios de altura, a distintas limitaciones que puedan existir, tales como alturas de terraplén o alturas permisibles de agua en la entrada. Como generalmente se construyen en el lugar deberá tomarse en cuenta, el tiempo de construcción al compararlas con las circulares prefabricadas. En los cauces naturales que presentan caudales de diseño importante, si la rasante es baja respecto del fondo del cauce, se suelen ocupar alcantarillas múltiples. Sin embargo, cuando se ensancha un canal para acomodar una batería de alcantarillas múltiples, se tiende a producir depósito de sedimentos tanto en el canal como en la alcantarilla, situación que deberá tenerse presente. La capacidad hidráulica de una alcantarilla puede ser mejorada por la selección de entrada apropiada. Debido a que el canal natural es generalmente más amplio que el barril de alcantarilla, el borde de entrada de alcantarilla representa una contracción de circulación y podría ser el control de circulación principal. INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS

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3.3.2 Tipos de Entrada

Figura 2.4 Cuatro tipos de entrada usuales (esquemático) Los distintos tipos de entrada en la circulación del flujo disminuirá gradual la pérdida de energía y creará una condición de entrada más eficiente hidráulicamente por lo tanto, los bordes biselados son por lo tanto más eficientes que los bordes cuadrados (Figura 2.5). Las entradas con Alas y Muro frontal reducen la contracción de circulación más lejos (Figura 2.6). Las entrada hundidas con muro frontal y alas, incrementan la altura eficaz sobre la sección de control de circulación (Figura 2.7), así incrementando la eficiencia de alcantarilla más lejos.

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Figura 2.5 Contracción a la Entrada (esquemático)

Figura 2.6 Entrada con Alas y Muro Frontal Frontal sin caída

Figura 2.7 Entrada con Alas y Muro con caída

2.3.3 Materiales Los materiales más usados para las alcantarillas son el hormigón (armado in situ o prefabricado) y el acero corrugado. En la elección del material de la alcantarilla se deben tomar en cuenta la durabilidad, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosión, abrasión e impermeabilidad. No es posible dar reglas INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS

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generales para la elección del material ya que depende del tipo de suelo, del agua y de la disponibilidad de los materiales en el lugar. Sin embargo, deberá tenerse presente al menos lo siguiente: Según sea la categoría de la carretera se deben considerar las siguientes vidas útiles:  Autopistas > 50 años  Colectores y Locales > 30 años  Desarrollo > 10 años Si se trata de caminos pavimentados la alcantarilla debe asegurar una impermeabilidad que evite la saturación del terraplén adyacente, lo cual puede acarrear asentamientos del terraplén con el consecuente daño al pavimento. Alcantarillas bajo terraplenes con altura superior a 5 m, deberán construirse preferentemente de hormigón armado, por la dificultad que conlleva el reemplazo.

3.-DRENAJE SUPERFICIAL

a) Finalidad del Drenaje Superficial El drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas de la carretera, para evitar el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y transitabilidad.

El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de un camino y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de la escorrentía a lo largo de este.

El drenaje superficial comprende: 

La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.



La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales o hacia la napa freática.



La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados por la carretera.

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b) Criterios funcionales

Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios funcionales según se menciona a continuación: 

Las soluciones técnicas disponibles



La facilidad de su obtención y así como los costos de construcción y mantenimiento.



Los daños que se puedan producir al paso de caudales de agua correspondientes al periodo de retorno.

Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno, y considerando el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje se deberán cumplir las siguientes condiciones: 

En los elementos de drenaje superficial la velocidad del agua será tal que no produzca daños por erosión ni por sedimentación.



El máximo nivel de la lámina de agua será tal que siempre se mantenga un borde libre no menor de 0.10 m.

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Los daños materiales, a terceros, producibles por una eventual inundación de zonas aledañas a la carretera, debida a la sobreelevación del nivel de la corriente en un cauce, provocada por la presencia de una obra de drenaje transversal, no deberán alcanzar la condición de catastróficos.

c) Periodo de Retorno La selección del caudal de diseño para el cual debe proyectarse un elemento del drenaje superficial está relacionada con la probabilidad o riesgo que ese caudal sea excedido durante el periodo para el cual se diseña el camino. En general se aceptan riesgos más altos cuando los daños probables que se produzcan, en caso de que discurra un caudal mayor al de diseño, sean menores, y los riesgos aceptables deberán ser muy pequeños cuando los daños probables sean mayores.

El riesgo o probabilidad de excedencia de una caudal en un intervalo de años está relacionado con la frecuencia histórica de su aparición o con el periodo de retorno. Se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 años para las cunetas y para las alcantarillas de alivio. Para las alcantarillas de paso el periodo de retorno aconsejable es de 50 años. Para los pontones y puentes el periodo de retorno no será menor a 100 años. Cuando sea previsible que se produzcan daños catastróficos en caso de que se excedan los caudales de diseño, el periodo de retorno podrá ser hasta de 500 años ó más.

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d) Beneficios Todo análisis de las afectaciones a terceros causadas por la presencia de una carretera deberá incluir, además de los daños, también eventuales beneficios, debidas a la reducción de niveles de inundación en algunas zonas aguas abajo, o a otras razones.

III. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO Ubicación de obras de arte Utilizando el plano de un trazo de carretera en planta, se procedió a elaborar el perfil y las secciones transversales, así como la ubicación de las obras de arte. Procedimiento de cálculo El diseño se realizó utilizando el software Excel para mayor facilidad y precisión en los cálculos. Teniendo en cuenta los parámetros técnicos y la teoría actual para el diseño de las obras de arte planteadas en este presente informe.

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IV.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

CONCLUSIONES:

 Se realizó el diseño del drenaje longitudinal y transversal

de una

carretera (1Km) diseñando las respectivas obras de arte como son:

 Diseño de contracunetas.  Diseño de cunetas.  Diseño de alcantarillas.  Diseño de aliviaderos.

RECOMENDACION:

 Realizar el correspondiente estudio hidrológico para realizar un optimo trabajo. Si no se cuenta con datos de intensidades de la zona, trasladar la información de una estación cercana o de una cuya cuenca sea parecida a la de estudio, generando así datos aproximados para el diseño del drenaje.

BIBLIOGRAFÍA -

Separatas de clase.

-

Texto guía de la universidad nacional de san Simon-Bolivia

-

Juan j. Bolinaga i. Y luis e. Franceschi

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CALCULOS

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PLANOS

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