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DRENAJE EN OBRAS VIALES Ing. Edgar Rodriguez Zubiate [email protected]

INTRODUCCION LOS SISTEMAS DE DRENAJE TIENE COMO OBJETIVO: • ELIMINAR LOS EXCESOS DE AGUA SUPERFICIAL SOBRE LA CARRETERA • RESTITUIR LA RED DE DRENAJE NATURAL QUE ES AFECTADA POR EL TRAZO DE LA VIA • CONTROLAR LOS FLUJOS DE AGUA SUBTERRANEA QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LA CARRETERA

LA CARRETERA INTERRUMPE EL DRENAJE NATURAL

• LA DEFORESTACION HACE INESTABLE A LOS TALUDES NATURALES, Y POR LO TANTO A LA CARRETERA

Deforestación

Hundimiento

Colapso de plataforma

Abandono de cantera sin un tratamiento adecuado

PARA EL DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE DRENAJE SE REQUIERE: hESTIMAR LA MAGNITUD Y FRECUENCIA DEL ESCURRIMIENTO PRODUCIDO POR LAS TORMENTAS h ESUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL DRENAJE SUPERFICIAL NATURAL DEL TERRENO h ESTUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL FLUJO DE AGUA SUBTERRANEA h ESTUDIAR EL EFECTO QUE LA CARRETERA TIENE SOBRE LOS CANALES Y CURSOS DE AGUA EXISTENTES

HIDROLOGIA LOS ESTUDIOS DE HIDROLOGIA TIENEN POR OBJETO ESTIMAR LOS CAUDALES DE DISEÑO PARA LAS OBRAS DE DRENAJE TRANSVERSAL DE LA CARRETERA, Y DE LAS OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL Y SUBSUPERFICIAL

HIDROLOGIA • LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DE LA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION, SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE, INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERES VIVOS • LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUE ATAÑEN AL DISEÑO Y OPERACIÓN DE PROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL CONTROL Y EL USO DEL AGUA

a. EL FENOMENO DE LA ESCORRENTIA a1. COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA • El camino seguido por una gota de agua desde el momento en el cual alcanza la tierra hasta cuando llega al curso de una corriente es incierto • El flujo de agua sobre la tierra o escorrentía superficial, corresponde al volumen de agua que avanza sobre la superficie de la tierra hasta alcanzar un canal

• El flujo superficial sobre un suelo permeable sólo puede tener lugar cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la capacidad de infiltración • Una porción de agua que se infiltra a través de la superficie de la tierra puede moverse lateralmente en las capas superiores del suelo hasta llegar al cauce de la corriente. Esta agua, llamada escorrentía subsuperficial, se mueve más lentamente que la escorrentia superficial y alcanza las corrientes posteriormente

a2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL • Factores Climáticos - Intensidad de precipitación - Duración de la precipitación - Precipitación antecedente • Factores Fisiográficos - Area - Permeabilidad • Factores Humanos - Obras Hidráulicas construidas en la cuenca - Rectificación de ríos

a3. VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL • Caudal Q • Coeficiente de Escorrentía Superficial CEs la relación entre el volumen de agua escorrentía superficial total y el volumen total de agua precipitada, en un intervalo de tiempo determinado • Tiempo de Concentración (Tc) - Es el tiempo que la lluvia que cae, en el punto más distante de la corriente de agua de una cuenca, toma para llegar a una sección determinada de dicha corriente

• Periodo de Retorno (tr) - Se dice que un evento de magnitud dada (en este caso un caudal de avenida, o máximas intensidades de precipitación) tiene un periodo de retorno de tr años si ese evento, en promedio, es igualado o superado una vez cada tr años - En la elección del periodo de retorno, a utilizar en el diseño de una obra de drenaje, es necesario considerar la relación existente entre la probabilidad de excedencia de un evento, la vida útil “n” de la estructura, y el riesgo “r” de falla aceptable

La probabilidad de ocurrencia del evento dentro de n años de la vida útil de la obra, denominado riesgo r , esta dado por: 1 n r = 1 − (1 − ) tr Cuadro 1 Periodo de retorno tr, en años Vida útil en años

Riesgo r 75

10 7.7

20 15

25 19

50 37

100 73

50

15

29

37

73

145

25

35

70

87

174

348

10

95

190

238

475

950

b. ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS b.1 PEQUEÑAS CUENCAS • Las siguientes características describen

una cuenca pequeña de áreas menores de aproximadamente 12 Km2 - Se asume que la lluvia se distribuye uniformente en el tiempo - Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el espacio La duración de la tormenta generalmente excede el tiempo de concentración

METODO RACIONAL El método racional es el método más comunmente usado para el análisis de flujos en pequeñas cuencas: Q = 0.278 C I A Q= es el caudal pico correspondiente a una intensidad de lluvia, duración y fecuencia dados, en m3/s C = coeficiente de escurrimiento (adimensional) I = intensidad de la lluvia , en mm/h A = Area de la cuenca , en Km2

b.2 CUENCAS INTERMEDIAS • Se considera a cuencas intermedias a cuencas cuyas áreas se encuentran comprendidas, aproximadamente entre 100 a 1000 Km2. Las siguientes características describen una cuenca mediana: - La intensidad de la lluvia varia dentro de la duración de la tormenta Se asume que la lluvia está uniformemente distribuida en el espacio En el caso de no tener registros de caudales máximos, la técnica más usada para el estudio de avenidas es la del hidrograma. - Hidrograma unitario - Hidrograma unitario sintético

ANÁLISIS •Caudales •Caudales + Precipitaciones

Modelos Precipitación Escorrentía

SISTEMAS DE CONTROL DE AGUAS •ZANJAS DE CORONACION •CUNETAS LATERALES •ALCANTARILLAS Y BADENES •DRENES INTERCEPTORES •SUBDRENES DE PENETRACION •DRENES VERTICALES •CORTINAS SUBTERRANEAS •GALERIAS Y TUNELES DE DRENAJE •PANTALLAS DE DRENAJE •POZOS DE DRENAJE •TRINCHERAS ESTABILIZADORAS

•DRENAJE SUPERFICIAL •SUBDRENAJE •DEFENSAS RIBEREÑAS

1. DRENAJE SUPERFICIAL 1.1 DRENAJE TRANSVERSAL DE LA VIA DRENAJE TRANSVERSAL DE LA •EL CARRETERA SE CONSIGUE MEDIANTE ALCANTARILLAS Y BADENES •LAS FORMAS USUALES DE ALCANTARILLAS SON LAS CIRCULARES, LAS DE CAJON, Y MULTIPLES. PERO TAMBIEN SE TIENEN ELIPTICAS, ARCOS PARABOLICOS, ETC •LA VIDA UTIL DE LOS MATERIALES CONSTITUYENTES DE LA ALCANTARILLA DEBE SUPERAR LA VIDA UTIL DEL PAVIMENTO

alcantarillas

Sistema de alcantarillas

a. FLUJO EN ALCANTARILLAS •ES EL FLUJO EN CONDUCTOS CERRADOS DE RELATIVAMENTE SECCIONES TRANSVERSALES GRANDES Y PEQUEÑA LONGITUD •LAS ALCANTARILLAS PUEDEN FLUIR LLENAS O NO •LA ENTRADA DE UNA ALCANTARILLA NO SE SUMERGE SI LA CARGA ES MENOR QUE UN DETERMINADO VALOR CRITICO, DESIGNADO POR H* (QUE VARIA DESDE 1.2D A 1.5D, DONDE D ES EL DIAMETRO DE UNA ALCANTARILLA CIRCULAR, O LA ALTURA DE UNA RECTANGULAR), SIEMPRE Y CUANDO NO EXISTAN EFECTOS QUE SE HAYAN TRANSMITIDO DESDE AGUAS ABAJO

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS SE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

TIPO 1 Carga H menor que la crítica H*, profundidad en la descarga menor que la crítica y pendiente supercrítica

TIPO 2 Carga H menor que la crítica H*, profundidad en la descarga menor que la crítica y pendiente subcrítica

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS SE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

TIPO 3

Carga H menor que la crítica H*, profundidad de descarga mayor que la crítica, el flujo es subcritico en toda la alcantarilla.

TIPO 4 Descarga sumergida.

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS SE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

TIPO 5 Carga H mayor que la crítica H*, descarga libre, el flujo es supercritico en toda la alcantarilla.

TIPO 6 Carga H mayor que la crítica H*, con descarga libre, el flujo fluye a sección llena en toda la alcantarilla.

a2. UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCE

a3. UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCE

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 1. SOLIDOS FLOTANTES.Debe hacerse un estudio económico en la solución de hacer pasar los sólidos flotantes por la alcantarilla y la solución de retener los sólidos aguas arriba de la entrada por medio de un dispositivo especial.

La quebrada transporta una significativa cantidad de sedimentos

El transporte de sedimentos es tan grande que la alcantarilla deja de trabajar eficientemente y los flujos de avenida discurren sobre la vía, destruyendola

Entrada de una alcantarilla que principalmente recibe agua proveniente de la cuneta

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 2. ANCLAJE.- Durante las crecidas se producen en la entrada y salida de las alcantarillas, vórtices y remolinos que socavan y erosionan el relleno del terraplén. El anclaje se logra aumentando el peso de los extremos de la alcantarilla mediante muros de cabecera, pavimentos colocados en el talud del terraplén.

Al no existir un sistema de protección a la salida el agua socava el terreno y los taludes de la carretera

No se colocado una protección adicional en los taludes a la entrada de la alcantarilla

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 3. UNIONES.- Es indespensable que las uniones en una alcantarilla sean lo suficientemente impermeables, para evitar problemas de erosión y arrastre. DEL EJE DE LA 4. INFLEXIONES ALCANTARILLA.- Cuando el eje de la alcantarilla no es recto los cambios de dirección deben hacerse en la forma más gradual y uniforme que permita el lugar.

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 5. SOCAVACIÓN LOCAL A LA SALIDA.Cuando la velocidad de escurrimiento de la alcantarilla es alta, puede producirse una socavación local a la salida de la obra que compromete su estabilidad. Se debe tomar precauciones, ya sea protegiendo el cauce con un pedraplén adecuado.

Problemas de socavación al final de la losa, a la salida de la alcantarilla

Hundimiento de la alcantarilla, construida en suelos arenosos

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 6. CAPACIDAD INSUFICIENTE ALCANTARILLA.-

DE

LA

se

han

Esta situación se puede deber a: - Los estudios hidrológicos no efectuado adecuadamente

- La quebrada transporta gran cantidad de material flotante y/o sedimentos

La capacidad de las cuatro alcantarillas fue insuficiente al ocurrir una avenida, el agua discurrió por sobre la carretera destruyendola

b. BADENES • Se puede seleccionar un badén como estructura

de cruce en el caso de tener un cauce ancho, con un gradiente hidráulico pequeño. O que el nivel de la rasante coincida con el nivel del cauce • El badén debe cumplir las siguientes condiciones: - Debe tener una superficie de rodamiento resistente a la acción de los flujos de agua - Se debe proteger el badén aguas arriba y aguas abajo para evitar problemas de socavación - Se debe colocar señales visibles que indiquen las profundidades del agua al ocurrir avenidas

1.2 DRENAJE SUPERFICIAL DE LA PLATAFORMA •SE DEBEN RECOGER Y ELIMINAR LAS AGUAS QUE SE ACUMULAN EN LA PLATAFORMA, LAS QUE PUEDEN PROVENIR DE: - Aguas de lluvia que caen directamente sobre el pavimento - Aguas superficiales que provienen de áreas vecinas, que son interceptadas y llegan al camino - Aguas superficiales que llegan a la carretera en los cruces de caminos

CUNETAS 1

1

z

1 z1

1

z2

1

z2

z1 2 3

AR S Q= n

1 2

(MANNING)

CUADRO No 2

Q = AC RS

1 6

(CHEZY)

R C= n

Velocidades máximas admisibles en cunetas revestidas

Tipo de revestimiento

Velocidad (m/s)

- Mezclas asfalticas

3.0

- Mamposteria de piedra

4.3

- Hormigón asfáltico o de cemento portland

4.5

Cuneta revestida con elementos prefabricados, debido a un mal drenaje del talud superior, y a un talud de corte no adecuado se producen fallas en la cuneta

No se ha protegido adecuadamente el final de la cuneta, cuando esta entrega sus aguas a un cauce natural

BORDILLOS Bordillo de tierra enhierbada

No se ha definido un canal a lo largo del talud, resistente a las altas velocidades del agua, que evacue el agua de lluvia proveniente de la carretera

1.3 ZANJAS DE CORONA • Las zanjas de corona son utilizadas para interceptar y conducir adecuadamente las aguas de lluvia, evitando su paso por el talud • La zanja de coronación no debe construirse muy cerca al borde del talud • Se recomienda que las zanjas de coronación sean totalmente impermeabilizadas, así como debe proveerse una suficiente pendiente para garantizar un rápido drenaje del agua captada

Gavion (subdren)

Detalle de zanjas de coronación para el control de aguas superficiales en un talud

Zanjas de coronación construidas en un terreno inestable

1.4 CANALES COLECTORES EN ESPINA DE PESCADO • Para disminuir la infiltración de agua en las áreas arriba del talud se acostumbra construir canales colectores en espina de pescado • Estos canales colectores conducen las aguas colectadas por la via más directa hacia fuera de las áreas vulnerables del talud, entregándolas generalmente a canales en gradería • Los canales deben impermeabilizarse para evitar la infiltración del agua

Canales espina de pescado revestidos

Canal en gradería

Escarpe de deslizamiento

Zanja de corona revestido

Esquema en planta de canales colectores En espina de pescado

1.4 CANALES COLECTORES Y DISIPADORES • Los canales que transportan el agua recolectada por las zanjas de corona, deben ser conducidos a un sitio seguro. Algunas veces se desarrollan a lo largo del talud • Se presentan dos tipos diferentes de canales: el canal rápido y el canal en gradería • El canal rápido se construye a una pendiente igual a la del talud, el sistema es más económico , pero presenta el problema de la poca energía disipada •El sistema de graderias es más eficiente para disipar energía

Detalle de un canal rápido de entrega

Canal de entrega con gradas de disipación

2. DRENAJE SUBTERRANEO • El drenaje subterráneo tiene por objeto disminuir las presiones de poros o impedir que estas aumenten • La cantidad de agua recolectada por un sistema de subdrenaje depende de la permeabilidad de los suelos o rocas, y de los gradientes hidráulicos

2a. CORTINAS IMPERMEABLES SUBTERRANEAS • Puede impedirse que el agua subterránea alcance la zona de inestabilidad potencial mediante la construcción de pantallas impermeables profundas • Las pantallas subterráneas pueden consistir en zanjas profundas rellenas de asfalto o concreto, tablestacados, cortinas de inyecciones • El diseño de estas cortinas debe tener en cuenta los efectos que sobre las áreas adyacentes tiene el cambio de régimen de aguas subterráneas

Pantalla interceptora Flujo de agua subterránea aquífero Material coluvial roca deslizamiento Pantalla interceptora

Nivel freático

drenaje Superficie de deslizamiento

Pantalla interceptora o cortina subterránea

2b. SUBDRENES INTERCEPTORES • Los subdrenes interceptores son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captación y transporte del agua • Hay subdrenes de diferentes formas – Con material de filtro y tubo colector – Con material grueso permeable sin tubo (dren francés) – Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector – Con geotextil, material grueso y sin tubo – Dren sintético con geomalla, geotextil y tubo colector

Sistemas de dren de zanja

Diagrama de un dren interceptor

Subdrenes en taludes saturados de suelos arenosos y su efecto sobre el nivel freático

geotextil Relleno con Material del lugar

Filtro de geotextil

Geomalla conductora

Dren perforado

Diagrama de un Subdrén sintético

Dren francés

Filtros de Material Granular El dren puede estar compuesto de material granular (filtro), el cual debe satisfacer las siguientes condiciones: a. Debe ser capaz de pasar la máxima cantidad de flujo a través de él b. El material fino de la cimentación no debe entrar en el filtro, ya que podría producir erosión interna u obstrucción del dren c. Debe prevenirse el movimiento del material del filtro d. La curva granulométrica del filtro debe cumplir las siguientes condiciones: d15f / d85b < 5 d50f / d50b < 60 5 < d15f / d15b < 40

evita succión del material fino para mantener una permeabilidad aceptable

donde: df corresponde al filtro, y db al material del terreno

Filtros de Geotextil •

Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construídas con fibras sintéticas, especialmente prolipopileno, poliester, nylon y polietileno

•

Los geotextiles se clasifican en tejidos y no tejidos

•

Los geotextiles más utilizados para filtro son los no tejidos

•

La durabilidad de los geotextiles está en función de las fibrsa poliméricas y las resinas a los ataques ambientales

2c. Drenes Horizontales o de Penetración • Un dren horizontal o subdren de penetración consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo mediante una perforación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca abatir el nivel freático • La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar • El diámetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4 pulgadas dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas

Esquema general de colocación de un Subdren de penetración

Subdren de prenetración diseñado para captar Solamente en la punta interior

2d. Colchones de Drenaje • Son capas de material drenante que se colocan debajo de terraplenes, generalmente después de remover los suelos sueltos. • Generalmente consisten en una capa de material gueso permeable de 20 a 50 centímetros de espesor envuelto por dos mantos de geotextil

2e. Trincheras Estabilizadoras •

Son zanjas profundas y anchas construidas generalmente, con maquinaria pesada de movimiento de tierras, que en su fondo y/o paredes laterales lleva un colchón de filtro, o un dren interceptor • La zanja posteriormente se rellena con enrocado o con material común de acuerdo a las necesidades específicas del caso • Generalmente la trinchera se excava a profundidades superiores a las de la superficie de falla.

2f. Pantallas de Drenaje • Las

pantallas de drenaje son estructuras similares en apariencia a un muro de contención, las cuales se colocan sobre la superficie del talud con el objetivo principal de impedir que se produzca erosión ocasionada por las filtraciones de agua subterránea. •Las pantallas de drenaje constan de tres elementos básicos: - Filtro sobre la superficie del talud - Estructura de contención o retención - Subdren colector

c. Subdren y gaviones a. Pedraplén

b. Filtro y relleno

Ejemplos de subdrenes de pantalla

2g. Subdrenaje de estructuras de contención • Es

necesario construir un subdrenaje adecuado detrás de los muros • El sistema de drenaje debe diseñarse para el flujo esperado sin que se presente taponamiento del sistema • Para prevenir el taponamiento debe utilizarse un material de filtro de acuerdo al tipo de suelo detrás del muro • Para los casos en los cuales la pared es impermeable, como sucede con los muros de concreto, se deben construir huecos de drenaje o lloraderos para impedir que se genere presión de poros exagerada detrás de la pared • Los lloraderos normalmente tienen un diámetro de 75 mm, y un espaciamiento no mayor de 1.5 m horizontalmente, y un metro verticalmente

Subdrenaje de muros de contención

2h. Subdrenaje para pavimentos Precipitación

Superficie de infiltración

Tubería De salida

Filtro Nivel freático Tubería colectora

Componentes de un sistema de subdrenaje

Nivel original del suelo Nivel freático original Nivel freatico Con drenaje

sello

Corte

Pavimento Base y subbase Dren longitudinal Nivel freático original

Nivel original del suelo Corte

Pavimento

Sello Nivel freatico Con drenaje Dren longitudinal

Nivel original del suelo Corte Nivel freatico Con drenaje

Nivel freático original Sello

Pavimento Nivel freatico Con drenaje Dren longitudinal

Sistema de drenes longitudinales

Nivel original del suelo 1.5% 1%

1%

subbase

1.5% pendiente

base

subdren

Secciones transversales con sistemas de drenaje

Tipos de drenaje para un campo de aviación

BIBLIOGRAFIA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Deslizamientos y Estabilidad de Taludes en Zonas Andinas y Tropicales. Jaime Suárez Díaz. Colombia Drainage of Highway and Airfield Pavements. Harry R. Cedergren. Edit. John Wiley & Sons Engineering Hydrology. Victor Manuel Ponce. Edit. Prentice Hall. USA. Hidráulica de Canales Abiertos. Richard H. French. Edit. McGraw-Hill Hidrología en Ingeniería. Germán Monsalve Sáenz. Edit. Alfaomega. Colombia Highway Design Manual. State of California Highway Drainage Guidelines. American Association of state Highway and Transportation Officials. Washington Landslides. Ministry of Construction – Japón Normas DG. Manual Ambiental para el Diseño y Construcción de Carreteras. Caminos I. Ing. Eddy T. Scipión Piñella Stream Stability at Highway Structures. U.S. Department of Transportation