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DRENAJE TRANSVERSAL Castillo, Abnilis Marquez, Yolanda Rivas, Katiuska

DRENAJE TRANSVERSAL • Los sistemas de drenaje transversal son aquellos elementos que transportan agua cruzando el eje de la carretera. Por lo general, el cruce se realiza de manera perpendicular al eje y transportan el aporte de la cuenca que se

encuentra aguas arriba de la vía en dirección aguas abajo.

LAS ALCANTARILLAS Pueden ser, de concreto de sección rectangular, circular o tipo herradura, o bien metálicas de tipo abovedada o circular. La selección de la mejor alcantarilla es básicamente de tipo económico; y estas estructuras deben proyectarse de tal manera que:

• No se generen remansos que amplíen las áreas de inundación previstas. • Se impida la socavación a la salida de la alcantarilla, mediante protección adecuada o en caso necesario el uso de disipadores.

• Se tenga capacidad estructural adecuada.

RECOMENDACIONES GENERALES

• Diámetros mínimos. • Para carreteras importantes: 91 cms. (36”) • Donde exista la posibilidad de obstrucción: 1.22 m. (48”) • Para carreteras secundarias: 61 cms. (24”) • En caminos o vías de acceso: 46 cms. (18”)

RECOMENDACIONES GENERALES

• Carga permisible a la entrada (HEP). Se determina como la menor de las establecidas, según los siguientes criterios:

• • •

Un borde libre mínimo de 0,40 m. hasta el nivel de la sub-rasante. Evitar en lo posible inundaciones de las propiedades aguas arriba de la alcantarilla. La carga en la entrada no debe ser mayor de 1,2 veces la altura de la sección.

RECOMENDACIONES GENERALES • Velocidades permisibles a la salida de las alcantarillas para evitar la erosión del terreno. Depende de la constitución del terreno

Fuente: Manual de drenaje MOP 1967

RECOMENDACIONES GENERALES • Velocidades máximas. Serán función del gasto de diseño y de las características del drenaje.

• •

Alcantarillas de concreto: 7 m/s cuando la corriente no arrastra materiales abrasivos y de 5 m/s cuando hay evidencias de que el material arrastrado es de tipo abrasivos. Alcantarillas metálicas: 6 m/s cuando la corriente no arrastra materiales abrasivos y de 3,5 m/s cuando hay evidencias de que el material arrastrado es de tipo abrasivos.

• Velocidades mínimas No deben ser menores de 1 m/s.

RECOMENDACIONES GENERALES •

Arrastres. Es todo aquello que transportan las aguas pluviales como materiales orgánicos e inorgánicos. Las medidas que se adoptan para evitar deposición de arrastres a la entrada de las alcantarillas son:

• • • • •

• •

Usar obras de canalización. Asegurar velocidades mínimas.

No permitir trabajos provisionales que perturben el suelo durante la construcción. No permitir el bote incontrolado del material sobrante. Al terminar los movimientos de tierras, se debe: Canalizar los cauces, reforestar los terraplenes, estabilización de los cauces erosionados.

Colocar trampas de sedimentos. Construcción de barreras y deflectores.

RECOMENDACIONES GENERALES • Condiciones de entrada y de salida. Las características de la entrada afectan la capacidad de drenaje de la misma, porque las perdidas de cargas varían con estas características.

• Es conveniente que la sección de entrada de la alcantarilla sea normal al eje de la corriente y que las aletas y cabezales estén alineados con respecto a este.

• Las alcantarillas deben tener el ancho del canal. • En zonas planas, cuando las velocidades son erosión se puede prescindir de cabezales.

• No se debe biselar los tubos metálicos.

bajas y no hay peligro de

RECOMENDACIONES GENERALES

• Condiciones de entrada y de salida. Las condiciones a la salida serán en función del terreno aguas abajo, de los cauces existentes y de las posibilidades de la erosión y las obras deberán ser proyectadas con este criterio y no tiene que ser idénticas a las obras de entrada, ya que cumplen funciones opuestas.

RECOMENDACIONES GENERALES • Profundidades mínimas y máximas de alcantarillas Los valores recomendados , suponen el uso de un material de relleno seleccionado y bien compactado y son referidos al nivel de la sub-rasante:

• Tubos de Concreto Profundidad mínima (relleno mínimo): 0,50m Profundidad máxima: consultar con las normas para la fabricación de tubos concretos para cloacas INOS (1965) y considerar las condiciones del sitio para facilitar la conservación y mantenimiento de la alcantarilla.

• Alcantarillas Metálicas Profundidad mínima : Alcantarillas metálicas remachadas tubulares y abovedadas: 0,30m Alcantarillas metálicas abovedadas encajables: 0,60m

RECOMENDACIONES GENERALES • Protección de las alcantarillas En general las alcantarillas se deterioran por corrosión, o por la abrasión producida por los arrastre de tipo inorgánico.

•

En alcantarillas metálicas, el galvanizado es suficiente para condiciones normales.

Si será complementado con recubrimiento total de asfalto, se debe considerar: los lugares donde se estanca el agua, donde pueda estar sometida a humedad constante y de suelos secos y alcalinos.

•

En alcantarillas de concreto, Se deberá aumentar el espesor del tubo, se deberá aumentar la densidad del concreto y se debe tener especial cuidado cuando existan velocidades grandes.

UBICACIÓN DE LAS ALCANTARILLAS El sitio lógico para ubicar una alcantarilla es el del cause natural existente. Esta solución puede realizarse dónde el alineamiento y la pendiente del cause así lo permiten. Otra limitación para ubicar la alcantarilla en el fondo serian: la imposibilidad del lograr un sistema practico para la conservación y mantenimiento en el sitio y el alineamiento horizontal que en ningún caso debería tener quiebre bruscos. La capacidad de soporte del suelo es un factor que afecta directamente la ubicación y trazado de las obras de drenaje. Cuando estas son de envergadura es necesario hacer los estudios correspondientes, ya que estos podrían obligar a cambiar un alineamiento recto por uno curvo.

DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DEL AGUA EN LA ENTRADA Y EN LA SALIDA DE LA ALCANTARILLA La altura de agua en la será función del gasto y de las características de la alcantarilla y se podrá determinar a partir de los monogramas correspondientes, ubicados en la tabla III.1 al III.4  Altura de agua en la salida La altura de agua en la salida es de la alcantarilla se considera como la profundidad normal del cause o canal, de acuerdo a las características del mismo y al gasto de diseño, se determinara utilizando la formula de Manning. Se distinguen dos casos: 1. la alcantarilla descarga en un cause natural existente la aplicación de la formula de Nanning permitirá determinar la capacidad de cause existente para varias profundidades , con el fin de determinar por tanteo la profundidad correspondiente al gasto en consideración.

DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DEL AGUA EN LA ENTRADA Y EN LA SALIDA DE LA ALCANTARILLA

2. La alcantarilla descarga en un cause artificial construido al efecto En este caso el gasto del canal será el gasto de diseño de la alcantarilla y la profundidad en el mismo podrá ser determinada a partir de los gráficos del Manual de drenaje MOP. Es importante precisar el sitio de descarga del canal artificial a fin de tomar en cuenta la posibilidad de que se produzca un remanso causado por las condiciones del cause natural donde desagua.

HIDRAULICA DE LAS ALCANTARILLAS Estimar la capacidad de la alcantarilla a diseñar.

Conceptos a conocer en la Hidráulica de las Alcantarillas • •

• • • • •

Régimen permanente: Cuando la sección transversal y caudal constante, en consecuencia no varia ni la velocidad, ni la profundidad. Régimen no permanente: Cuando la sección transversal y caudal cambia con el tiempo, en consecuencia tanto la velocidad como la profundidad varían.

Régimen uniforme: Cuando la secciones transversales sucesivas de un tramo, la velocidad media y la profundad son iguales en cualquier instante. Solo es posible en canales de sección transversal constante. Régimen No Uniforme: Cuando la secciones transversales sucesivas de un tramo, ni la velocidad media, ni la profundidad son iguales en cualquier instante. Régimen critico: La energía especifica, es decirla suma de la carga de velocidad y la profundidad, es mínima para cierto gasto dado. Además la carga de velocidad es igual a la mitad de la profundidad hidráulica. Régimen subcrítico: La velocidad media es menor que la celeridad de las ondas de pequeña amplitud, y por lo tanto las perturbaciones que se pudiesen producir, serán transmitidas aguas arribas de su punto de origen. Régimen supercrítico: La velocidad media es mayor que la celeridad de las ondas de pequeña amplitud y por lo tanto las perturbaciones que se pudiesen no son transmitidas aguas arriba de su origen.

Conceptos a conocer en la Hidráulica de las Alcantarillas •

• •

Resalto hidráulico: Es el borbollón o elevación brusca y turbulenta de la superficie que se presenta cuando se retarda bruscamente una corriente de agua a alta velocidad. La transición es siempre de un régimen supercrítico a un régimen subcrítico, produciéndose un perdida considerable de energía.

Sección de control: Es aquella sección donde existe una relación definida entre el gasto y la profundidad. Toda transición de régimen subcrítico y supercrítico se hace pasando por una sección de control. Tipos de Pendientes:

-Pendientes suaves, el régimen uniforme será subcrítico. -Pendientes pronunciadas, el régimen uniforme será supercrítico. - Pendientes criticas, el régimen uniforme será supercrítico.

Conceptos a conocer en la Hidráulica de las Alcantarillas • • • • • • • •

A: Área de la sección normal a la corriente. P: Perímetro mojado, es la longitud de la sección transversal en contacto con el agua. R: Radio hidráulico, el cual se define como el área dividida por el perímetro mojado. R=A/P d o y: Profundidad máxima del agua, en la sección transversal.

T: El ancho superior, es decir, el ancho de la superficie del agua. dm: Profundidad hidráulica, se define como el área dividida por el ancho superior. dm=A/T

CONDICIONES TIPICAS DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS ALCANTARILLAS

Control a la Entrada

Control a la salida

Capacidad regulada por la geometría de la alcantarilla y altura de agua a la entrada (HE)

Sera determinada por la geometría de la sección de entrada, altura de agua en la entrada y la salida, longitud, área de la sección transversal, pendiente y rugosidad de la alcantarilla.

Ver Nomogramas para el calculo de (HE) alcantarillas con control en la entrada.

(HE) se puede determinar por métodos matemáticos o por métodos gráficos.

Una vez calculadas las alturas de agua a la entrada (HE), tanto para el control a la entrada como para el control a la salida, estas se comparan y el diseño estará regido por el control donde la altura HE sea mayor.

PROCEDIMIENTO MATEMATICO PARA EL CALCULO DE (HE) DE ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA SALIDA

H=Hv+He+Hf Donde: 𝑽𝟐 Hv= , Carga de Velocidad 𝟐∗𝒈

He= 𝑪𝒆 ∗

𝑽𝟐 , Perdida de carga en la Entrada 𝟐∗𝒈

Ce= coeficiente de perdida de carga a la entrada de la alcantarilla (ver tabla)

PROCEDIMIENTO MATEMATICO PARA EL CALCULO DE (HE) DE ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA SALIDA Hf=

𝟏𝟗.𝟔∗𝒏𝟐 ∗𝑳 𝑽𝟐 ∗ 𝑹𝟐/𝟑 𝟐𝒈

Ecuacion de Manning

La carga H, se puede determinar para diferentes tipos de alcantarillas a partir de los nomogramas identificados como control a la salida, con solo establecer los coeficientes Ce y n. En caso de utilizar valores de “n” distintos a los existentes en los monograma, basta con utilizar una longitud modificada L, para el valor deseado de “n”, de acuerdo con: 𝒏𝟏 𝑳𝟏 = 𝑳 𝒏

𝟐

PROCEDIMIENTO MATEMATICO PARA EL CALCULO DE (HE) DE ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA SALIDA

•

Finalmente se calcula la Altura de agua a la entrada.

HE = H + ho – L*So La determinación de “ho” depende de los niveles aguas abajo.

Se consideran dos casos:

Si el nivel de agua a la salida se encuentra por encima del tope de la alcantarilla “ho” es igual a la altura de agua a la salida (Hs).

Si la salida no esta sumergida el valor de “ho” será igual al mayor de los dos valor siguiente:

a) Hs b)

𝑑𝑐+𝐷 2

Los valores de dc puede determinarse con la ayuda de graficas.

CONTROL DE EROSION A LA SALIDA

• La

alcantarilla generalmente producen velocidades mayores que las del cause natural, las cuales alcanza su valor máximo y por lo tanto su máximo potencial de erosión, ala salida. Por lo tanto, es imprescindible calcular la velocidad de salida, con el fin de compararla con las velocidades máximas recomendadas y decidir si es necesario utilizar obras de protección o de disipación de energía.

Intensidad Es la intensidad promedio de la lluvia cuya duración es igual al tiempo y viene expresada en Litros/seg.

• • •

Para conocer la intensidad es necesario construir la curva IDF, en función del tiempo de retorno y la duración de la lluvia. Conociendo las coordenadas de la zona en estudio, se debe ubicar las estaciones climatológicas y pluviométricas del Ministerio del Ambiente más cercanas. Se puede hacer uso del software Google Earth.

Estación Bqto – Oficina Latitud: 10°03’55“ Longitud: 69°16’20”

Aplicando el Método de Gumbel CURVA IDF 250.000

Se consiguen las curvas PDF e IDF

200.000 INTENSIDAD (mm/h)

Tr 2 Tr 5

150.000

CURVA PDF

Tr 15

I(10 años)= 705.63(Tc)-0.687

Tr 20

100.000

120.000 100.000 PRECIPITACION (mm)

Tr 10

Tr 2

Tr 25 Tr 30

50.000

Tr 50

Tr 5

80.000

Tr 10 60.000

Tr 15 Tr 20

40.000

Tr 25

20.000

Tr 30

0.000

Tr 50 0

200

400

600

800

1000

DURACION (min)

1200

1400

1600

Power (Tr 10) 0.000 0

500

1000 DURACION (min)

1500

2000

DISEÑO DE ALCANTARILLAS Datos Básicos requeridos para le proyecto de alcantarillas:

• •

Gasto de Proyecto. Ubicación de la alcantarilla Progresiva del sitio del cauce. Progresiva del sitio de la alcantarilla. Rasante o Subrasante de la carretera. Cota de la rasante a la entrada de la alcantarilla. Pendiente de la alcantarilla. Longitud de la alcantarilla. Obras complementarias tales como canales, aletas, disipadores.

DISEÑO DE ALCANTARILLAS

• •

Velocidad máxima permisible en canales Profundidad del agua en el canal de salida. -Sección transversal del canal. -Coeficiente de rugosidad “n” -Pendiente del Fondo.

GASTO DEL PROYECTO •

Método Racional: Puede ser usado sólo en áreas a drenar menores de 200 Has.

Q = C*I*A C : Coeficiente de Escorrentía

I : Intensidad en L/s A : Área en Ha.

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA PENDIENTE DEL TERRENO COBERTURA TIPO DE SUELO VEGETAL

PRONUNCI

ALTA

PASTOS VEGETACION LIGERA

HIERBA, GRAMA

BOSQUES DENSA VEGETACION

DESPRECIABL E

20%

5%

1%

IMPERMEABLE

0,80

0,75

0,70

0,65

0,60

SEMIPERMEABLE

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

PERMEABLE

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

IMPERMEABLE

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

SEMIPERMEABLE

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

PERMEABLE

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

IMPERMEABLE

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

SEMIPERMEABLE

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

PERMEABLE

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

IMPERMEABLE

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

SEMIPERMEABLE

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

PERMEABLE

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

IMPERMEABLE

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

SEMIPERMEABLE

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

PERMEABLE

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

VEGETACION

CULTIVOS

SUAVE

ADA 50%

SIN

MEDIA

Fuente: Manual de Drenaje, MOP.1967 NOTA: Para zonas que se espera puedan ser quemadas se deben aumentar los coeficientes de la siguiente manera: CULTIVOS: multiplicar por 1,10 HIERBA, PASTOS Y VEGETACION LIGERA, BOSQUES Y DENSA VEGETACION: multiplicar por 1,30

Área Es el área de la cuenca contribuyente expresada en hectárea.

• Se usa el software Civil 3D, el cual permite delimitar la cuenca y conocer el recorrido del agua.

- Hacer click con el botón derecho sobre las curvas. - En la sección de “Edit Surface Style”

- Activar la capa “Watersheds”

Se aprecia en las líneas verdes la división de las cuencas

Con “Water Drop” es posible conocer el recorrido de una gota de agua

Presionando en distintas partes del plano se aprecia el recorrido del agua En esta posición es necesario colocar una alcantarilla

En “Catchment Area” es posible delimitar el área de la cuenca que aporta para un punto especifico

Se puede modificar la apariencia antes de ejecutar la opción, sino se pulsa OK

Haciendo click en el punto que se desea conocer. En este caso, el punto de la ubicación de la alcantarilla

Aparece delimitada el área que aporta al punto

Esta área es la que se necesita para el calculo del caudal

En las propiedades geométricas se aprecia el área.

Tiempo de Concentración

En el caso del método racional, el gasto máximo se alcanza cuando toda la cuenca tributaria está aportando al punto de concentración. 𝑇𝑐 = 𝑇𝑣 + 𝑇𝑐𝑠 𝑇𝑣 = 0.0195 ∗ 𝐿 𝑚

𝑇𝑐𝑠 =

∆𝐿 𝑀∗ 𝑆

1.155

∗ 𝐻(𝑚)−0.385

, donde M=140 para potreros pastizales cortos.

Es necesario conocer el recorrido que hace una gota de agua hasta llegar a este punto

Está longitud permite determinar el tiempo de concentración

Dando clic sobre la polilinea, en propiedades

Con “Quick Profile” es posible hacer un perfil rápido.

Para conocer la altura necesaria para determinar el Tc, es necesario hacer un perfil del recorrido del agua

Creando este perfil, se conocen la cota mayor y cota menor

Con los datos obtenidos anteriormente, es posible conocer el tiempo de concentración: Longitud (m) 476.787

Cota Mayor 636.797

Cota menor 611.490

A (m²)

S (%)

H (m)

75431.59

5.31

25.307

Se pueden calcular el tiempo de concentración, con el cual se ingresará en la curva de intensidad para el tiempo de retorno correspondiente. 1.155

𝑇𝑣 𝑚𝑖𝑛 = 0.0195 ∗ 𝐿 𝑚 𝑇𝑣 𝑚𝑖𝑛 = 0.0195 ∗ 476.787

𝑇𝑐𝑠 =

−0.385

∗ 𝐻 𝑚 1.155 ∗ 25.307

∆𝐿 𝑀∗ 𝑆

=

−0.385

𝑻𝒄 = 𝟔. 𝟗𝟕 𝒎𝒊𝒏

476.787 140 ∗ 0.0531

= 𝟏𝟒. 𝟕𝟖 𝒎𝒊𝒏

Con esto se tiene que: 𝑇𝑐 = 𝑇𝑣 + 𝑇𝑐𝑠 = 6.97 + 14.78 𝑻𝒄 = 𝟐𝟏. 𝟕𝟓 𝒎𝒊𝒏

Tiempo de Retorno Tr TIPO DE VÍA

TIPO DE VÍA

(años)

DESCRIPCION CARRETERAS

Vialidad Arterial Autopistas Urbanas y avenidas que garantizan la comunicación

10

básica de la ciudad Vialidad Distribuidora Vías que distribuyen el tráfico de la vialidad arterial o que la alimentan

Obras de Protección

Vías

Vías

contra Socavación

Férreas

Expresas

100

100

100

50

25

25

25

10

10

5

Terraplenes

50

25

10

10

5

Diques marginales

100

50

50

10

5

Fundaciones de 5

Puentes Descarga de

Vialidad Local Avenidas y calles cuya importancia no traspasa la zona servida

2

Vialidad Especial

Acceso a Instalaciones de Seguridad Nacional y Servicios Públicos vitales

10

Fuente: Drenaje Urbano, Bolinaga (1979)

Más de

alcantarillas

2

2 canales Caminos

canales

Fuente: Drenaje Vial, Luis Franceschi (1985)

GASTO DEL PROYECTO • Con el tiempo de concentración y la ecuación de la grafica para un tiempo de retorno de 10 años, se tiene: 𝐼 10𝑎ñ𝑜𝑠 = 705.63 ∗ (𝑇𝑐)−0.687 𝐼 10𝑎ñ𝑜𝑠 = 705.63 ∗ (21.75)−0.687 𝐼 10𝑎ñ𝑜𝑠 = 85.06 𝑚𝑚/ℎ

• El caudal de diseño será: 𝑄 =𝐶∗𝐼∗𝐴 𝐿 𝑚𝑚 1 𝐻𝑎 𝑠 2 𝑄 = 0.40 ∗ (85.06 ∗ 2.77 ) ∗ (75431.585𝑚 ∗ ) ℎ 𝐻𝑎 10000 𝑚2 3 𝑄 = 710,92 𝐿 𝑠 = 0.711 𝑚 𝑠 C

Tc (min)

0.40

21.75

I I (mm/h) (L/seg/Ha) 85.06

A (m²)

A (Ha)

235.162 75431.585 7.54

Q (L/s)

Q (m³/s)

710.92

0.711

Se trazo una línea en el mismo sentido del agua. Que va del borde de talud a borde de talud

𝐻𝐸 = 0.75 𝐷

H=0.14m

dc=0.48 m

PARA EL CALCULO LA PROFUNDIDAD DE AGUA A LA SALIDA (Hs)

• Tenemos la siguiente relación: 𝑄∗𝑛 1 𝑆𝑜 2

=

∗

8 𝐷3

0.711 ∗ 0.012 1 0.0052

∗

8 0.913

= 0.16

Con 0.16 vamos a entrar a la siguiente grafica que nos va a dar el valor de Yn que será igual a Hs

Yn=Hs=0.53m

¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!