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Obras de Drenaje. Nombre del alumno: Aldo Alejandro Sandoval Cedillo. Instituto: Tecnológico de Ciudad Victoria.

Nombre del maestro: Cynthia Alejandra Rueda Contreras. Nombre de la materia: Carreteras. Número de control: 16380207. Grupo: 11. Unidad: 3. Carrera: Ingeniería Civil. Fecha: 25 de septiembre del 2017.

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Obras de drenaje

ÍNDICE. 3. Obras de drenaje. Introducción.

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3.1 Obra de drenaje.

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3.1.1 Estudio hidrológico y topográfico de la localización del drenaje

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3.1.2 Tipos de estructuras de drenaje que se utilizan.

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3.1.2.1 Alcantarillas.

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3.1.2.2 Bóvedas.

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3.1.2.3 Badenes.

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3.1.3 Diseño topográfico del drenaje.

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3.1.4 Obras complementarias.

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3.1.5 Mantenimiento específico del drenaje.

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3.2 Drenaje natural.

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3.2.1 Drenaje dendrítico

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3.2.2 Drenaje natural paralelo.

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3.3 Drenaje artificial.

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3.3.1 Consideraciones hidrológicas aplicables al estudio del drenaje. 3.4 Sistemas de drenaje en carreteras.

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3.4.1 Economía en el drenaje.

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3.4.2 Objetivo de los drenajes en carreteras.

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3.4.3 Importancia del drenaje.

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3.4.4 Drenaje superficial.

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3.4.4.1 Drenaje longitudinal.

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3.4.4.2 Drenaje transversal.

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3.4.5 Drenaje profundo.

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3.4.6 Alcantarilla con losa.

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3.4.7 Cunetas.

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3.4.8 Cuneta. Sección de cajón.

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3.4.9 Vado.

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3.4.10 Contracunetas.

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3.4.11 Lavaderos.

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3.4.12 Bajadas.

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3.5 Criterios generales para el diseño de obras de drenaje.

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3.6 Hidrología.

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3.6.1 Ciclo hidrológico.

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3.6.2 Período de retorno.

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3.6.3 Determinación del caudal de referencia.

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3.6.4 Método hidrometeorológico.

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Conclusiones.

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Referencias.

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ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 3.1 Alcantarilla de bóveda.

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Figura 3.2 Detalle de badén armado.

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Figura 3.3 Diseño topográfico del drenaje.

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Figura 3.4 Drenaje natural.

7

Figura 3.5 Drenaje dendrítico.

7

Figura 3.6 Drenaje natural paralelo.

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Figura 3.7 Drenaje artificial.

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Figura 3.8 Evacuación de agua.

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Figura 3.9 Deformación de un camino.

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Figura 3.10 Drenaje longitudinal.

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Figura 3.11 Drenaje longitudinal.

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Figura 3.12 Drenaje transversal.

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Figura 3.13 Perfil de alcantarilla.

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Figura 3.14 Cuneta. Sección en balcón.

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Figura 3.15 Cuneta. Sección de cajón.

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Figura 3.16 Sección triangular típica de una cuneta.

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Figura 3.17 Cuneta en secciones de terraplén.

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Figura 3.18 Vado.

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Figura 3.19 Ubicación de una contracuneta en un camino.

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Figura 3.20 Dimensiones de una contracuneta.

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Figura 3.21 Lavadero.

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Figura 3.22 Bajada.

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ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 3.1 Dimensiones en metros del badén tipo

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Tabla 3.2 Período de retorno mínimo.

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Tabla 3.3 Valores del coeficiente K.

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INTRODUCCIÓN. El siguiente proyecto describirá todo lo necesario para saber qué son las obras de drenaje, que es un sistema que controla las aguas que van llegando a las carreteras. También se verá qué tipos de drenajes existen, que es el natural y el artificial. Los tipos de sistemas de drenaje en carreteras, que son los drenajes superficiales, drenajes longitudinales y los drenajes profundos, qué son las cunetas y sus diferentes tipos, también qué son las contracunetas y sus dimensiones, y qué son los lavaderos y bajadas. Los criterios para el diseño de obras de drenaje de acuerdo a la SC, que son 3 factores: topográficos, hidrológicos y geotécnicos. Se hablará sobre la hidrología y sus estudios, y cómo calcular el caudal de referencia. Con el objetivo de dar más conocimiento al elaborador de este proyecto acerca de esta rama de la ingeniería civil, que son las carreteras. La información y datos se obtendrán de libros, revistas científicas, manuales, reportes técnicos, etc. Así pudiendo brindar información correcta y detallada en la elaboración de este proyecto.

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3. OBRAS DE DRENAJE. 3.1 Obra de drenaje. El drenaje es un sistema que controla las aguas que llegan a las carreteras y pueden causar problemas de funcionamiento e interrupciones de servicio. En las obras de drenaje, la localización y el diseño, tienen una gran importancia en el proyecto de vías terrestres, si se llega a hacer un mal funcionamiento de la localización y el diseño, puede ocasionar graves problemas en el buen funcionamiento de una carretera. A continuación se mostrarán unos puntos muy importantes que se deben de considerar en el diseño y construcción de una obra de drenaje. I.

Localizar el eje de la obra. Se deberá hacerse preferentemente siguiendo el cauce de los escurrideros, se toma en cuenta la pendiente, ya que de la pendiente dependerá el tipo de obra.

II.

Área que será drenada. Es la superficie que si se limita por dos o más líneas del parteaguas y el eje del camino, que dará el área tributaria del escurridero que servirá para proyectar la obra.

III.

Área hidráulica. Es el área capaz de dejar pasar un gasto, es igual a una lámina de agua de 10 cm. de altura por una hora, producto de la precipitación del lugar.

IV.

Seleccionar el tipo de obra. Se selecciona el tipo de obra una vez calculado el punto anterior, de tal manera que la satisfaga correctamente y dentro de condiciones de máxima seguridad.

En carreteras, es necesario evaluar los cruces de los ríos que se vayan encontrando alrededor del proyecto y que puedan llegar a afectar a la carretera, siendo necesario realizar una obra de drenaje y/u obra civil para poder disponer de su evacuación. El drenaje es un punto crítico y vulnerable para un camino o una carretera. Para poder realizar la evaluación de los tipos de drenajes que se necesita construir, será necesario la realización de estudios y cálculos de ingeniería como son: el estudio hidrológico de la zona, el estudio topográfico de la zona, el tipo de estructura de drenaje a utilizar, el diseño estructural del drenaje, el diseño topográfico del drenaje, las obras complementarias del drenaje y

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el mantenimiento específico para los drenajes. A continuación se hablará de dichos estudios y cálculos. 3.1.1 Estudio hidrológico y topográfico de la localización del drenaje. Cuando ya se tiene el diseño y el trazo definitivo de la carretera que se plantea construir, se evalúan todos los lugares de cruces de ríos y evacuación de agua de parte de la carretera, este aprendizaje tiene como su primer objetivo la definición de parámetros, como lo es el caudal máximo, que viene siendo el volumen de agua que cruza por un punto determinado por una unidad de tiempo, igual su velocidad, este punto es la intersección que posee el río con la carretera. El caudal se puede calcular desde varios factores como lo son: el tipo del terreno del lugar, la precipitación que llegue a ocurrir en el lugar, información histórica de crecidas máximas del río, el tipo de estructura que existe, pendientes del cauce del río. Con esta información se realizan los cálculos de la cuenca que concurren o alteran el punto de intervención, se finaliza que vida útil deberá de tener la estructura según su relevancia, por estadística de la precipitación se analiza un período de retorno de las crecidas máximas de los ríos, y se escoge un proceso para calcular el caudal. La topografía esencial del lugar nos proporciona los niveles, alturas, y alineamientos preliminar que debe de poseer la estructura del drenaje. Cuando ya se calcule el caudal máximo y su velocidad, se determinará un área hidráulica, que es el espacio que se necesita para empezar a diseñas y escoger que tipo de estructura es esencial para su correcto funcionamiento, para el caso podrían ser alcantarillas o bóvedas de concreto, metal o plástico, y si el caso lo necesita se evalúa la necesidad de puentes, el cual requiere de otros aprendizajes para su diseño. 3.1.2 Tipos de estructuras de drenaje que se utilizan: Cada tipo de estructura se califica según la capacidad de flujo que se necesita para el estudio hidrológico y topográfico (Alcantarillas, bóvedas y badenes). 3.1.2.1 Alcantarillas. En carreteras, las alcantarillas por sus componentes se clasifican en: alcantarillas de concreto, alcantarillas de metal, y alcantarillas de plástico. Se recomiendo usarse por el costo, por su

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duración, construcción y su disponibilidad. Hay alcantarillas de diferentes diámetros comerciales desde 24” a 72”. La construcción de los diámetros mayores ofrece un alto costo, el cual exige evaluar el uso de bóvedas. 3.1.2.2 Bóvedas. El uso de las bóvedas se usa cuando las alcantarillas circulares no tienen el espacio de las áreas hidráulicas, en necesario tomar en cuenta aspectos como el ancho del cauce, el arrastre de materiales del cauce, la altura de los rellenos del camino y la pendiente del cauce. Su clasificación es circular, con diámetros mayores a 90”, semicirculares y con una flecha alta o baja.

Figura 3.1 Alcantarilla de bóveda (Bañón, 2013, p. 8) 3.1.2.3 Badenes. En carreteras, el badén es un tipo de obra de drenaje que se adapta a las propiedades geométricas del cauce y tiene por objetivo facilitar el tránsito estable tanto de personas como de vehículos. Este tipo de drenaje deberá de tener una longitud que se aproxime igual al ancho que tendrá el cauche, de manera que la geometría del cauce no se vea afectada. Existen algunos factores que se deben de tener en cuenta para el diseño y la localización de un badén, como: 

Niveles mínimos y máximos de agua para su diseño.



Condicionar la cimentación.



Geometría en la sección transversal del cauce.

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

Potencial de socavación.



Una estabilidad entre el cauce y de las márgenes.



Tener materiales de construcción disponibles.

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Los badenes nos pueden ofrecer alguna alternativa que satisface al uso de tubos y puentes para el cauce de arroyos en caminos que tienen un bajo volumen de tránsito, el uso de la vía y los rasgos de flujo del arroyo sean los adecuados. Estos se tienen que construir en zonas estrechas a lo largo del cauce y localizarse en zonas con buenas condiciones de cimentación y no debe de darle un uso para el paso de cauces que tengan una gran profundidad, ya que implicaría rellenos altos. En general, el badén debe de tener un espesor de 20 cm. e irá armado con mallazo en cuantía que se determinará según las cargas de uso, siendo lo común 20 x 20 ᴓ6 y para mayores cargas 15 x 15 ᴓ5.

Figura 3.2 Detalle de badén armado (caminos naturales, p. 4). Diseño estructural del drenaje.

Tabla 3.1 Dimensiones en metros del badén tipo (caminos naturales, p. 4). Una vez definida la estructura de drenaje, se hace un círculo de la carga que va a soportar, la estructura para elegir una adecuada resistencia del material que se utilizará y la cimentación que se va a tener, estas cargas que comúnmente son por encima de la estructura, son las presiones que va ejerciendo el suelo, el relleno estructural, las cargas vivas y muertas. Aquí se escogen también las especificaciones de los componentes del drenaje y para el relleno estructural que tienen que ser considerados.

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3.1.3 Diseño topográfico del drenaje. Se hace un plano con las medidas de la estructura, niveles y alineamientos que va a tener el drenaje, este plano se realiza con la finalidad de lograr el trazo en el lugar de la construcción de la estructura, y así poder realizar todas las obras necesarias, antes, durante y después de la construcción.

Figura 3.3 Diseño topográfico del drenaje. (Barrón, 2013, p. 9)

3.1.4 Obras complementarias. Una estructura de drenaje funciona correctamente realizando todas las obras complementarias en la entrada y salida del drenaje, esto se realiza para poder proteger la estructura principal, de la erosión del suelo, arrastre de compuesto del cauce, el paso de fauna marina, protección de taludes, y además para darle mantenimiento efectivo. Una forma de evitar la erosión en los suelos, sería realizando muros de concreto en la entrada y salida, así necesitando en algunos momentos, muros aleros, para encauzar las aguas al drenaje y zampeados de concreto o piedra para evadir la socavación y eliminar la energía de las aguas en la entrada y salida del drenaje. Además, se tiene que realizar las entradas de cunetas a los cabezales de una forma gradual. 3.1.5 Mantenimiento específico de los drenajes. Después de construir los drenajes, se debe de tener un mantenimiento periódico, ya que consiste en la limpieza general del mismo, reparar daños que son provocados por el cauce, limpieza de los materiales que son arrastrados por el cauce del río, limpieza en las cajas y cabezales de concreto.

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3.2.- DRENAJE NATURAL. En carreteras, el drenaje natural es aquel donde las aguas se acumulan, ya sean en las carreteras, caminos o calles que desembocan en ríos, arroyos, acantilados, o cualquier masa de agua en que la topografía del terreno se lo permita, a continuación se mostrará una imagen como ejemplo de un drenaje natural en un camino. Estos drenajes se pueden hallar en: zanjas, ríos y arroyos.

Figura 3.4 Drenaje Natural (Papayanópulos, 2015) Existen dos tipos de drenaje natural. 3.2.1 Drenaje dendrítico.- es el tipo de drenaje fluvial más habitual que existe. Su nombre denomina a la semejanza que este tipo de drenaje tiene con árboles y sus ramas, las cuales forman afluentes, los afluentes son masas de agua que forman masas más grandes.

Figura 3.5 Drenaje dendrítico (Papayanópulos, 2015)

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3.2.2 Drenaje natural paralelo.- este tipo de drenaje fluvial se da en regiones estables con mesetas o grandes campos y regiones donde trabaja la glaciación continental.

Figura 3.6 Drenaje natural paralelo (Papayanópulos, 2015)

3.3.- DRENAJE ARTIFICIAL. Este drenaje es el conjunto de obras que sirve para poder captar, conducir y alejar del camino el agua que pueda llegar a causar problemas. El drenaje artificial es de particular importancia para las carreteras que tienen poco tránsito que no tienen una superficie de rodamiento impermeable ni cunetas revestidas. Y en esto, los materiales están más expuestos al agua. Por ello, para la construcción de estas carreteras y en general las vías terrestres, se necesitan estudios cuidadosos del drenaje; y los ingenieros del proyecto deben tener amplios conocimientos en la materia, a fin de que las obras cumplan con sus objetivos. Al caer sobre la superficie terrestre, el agua de lluvia posee varios rumbos: escurre de forma superficial, se infiltra al subsuelo o se evapotranspira. El agua que llega a escurrir de forma superficial se va uniendo formando pequeños escurrideros que se vuelven arroyos y después en ríos, tales que llegan al mar o a una depresión continental como lo son los lagos y las lagunas. Cuando se realiza un camino, casi siempre se parte el escurrimiento natural, así permitiendo el paso del agua solamente en los lugares que escoge el proyectista, de esta manera aleja el agua del camino lo más rápido posible. El agua que antes de la construcción del camino fluía de manera libre debe de canalizarse de manera adecuada para poder concentrarse en estas construcciones, lo que causa las obras de capacitación y de conducción.

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En general, al construir un camino se modifican las características del escurrimiento en los lugares que la vía atravesará, esto puede causar dificultades como erosiones e inundaciones. Por otro lado, las propiedades de las cencas se alteran cuando se construye un camino, pues este causa alteraciones en el uso de la tierra al propiciar el proceso económico en su lugar de influencia. Por ello, en un área boscosa se llevarán a cabo desmontes que cambian la velocidad de concentración del agua, lo que sube la erosión de la cuenca y posibilita la acumulación de azolves aguas abajo, que al último se cambia el régimen pluviométrico. Así, al construirse una vía, el agua se infiltrará al subsuelo tiende a aflorar por los taludes o ir más profundo con el nivel de las aguas freáticas. El aprendizaje del drenaje se tiene que iniciar desde la elección de ruta escogiéndose un lugar que tenga menos dificultades de escurrimiento. De ser posible, se deberá de utilizar las pendientes máximas permisibles y se tendrá que llegar y aprovechar los parteaguas, donde el drenaje será mínimo. Ya cuando los caminos estén localizados en las laderas de las serranías el drenaje aumentará, aunque las cuencas y los escurrideros estén generalmente bien definidos, opuesto de los terrenos planos, donde se podría tener los mayores problemas de drenaje porque a menudo ni las cuencas ni los escurrideros están bien finalizados. Si desde el lapso de elección de ruta no se escoge el lugar más adecuado, se presentarán dificultades durante la vida útil del camino y se dará un aumento de manera innecesaria los costos de conservación. Por esto, pese a que los caminos sean de una corta longitud, será necesario aplicar reconocimientos que, en estos casos, debe ser a pie o a lomo de bestia. Una vez que la longitud del camino por construir o rehabilitar ya es fundamental, los primeros reconocimientos se hacen en avioneta o helicóptero, sin excluir el uso de fotografías aéreas, que están a la disposición de los proyectistas en distintos organismos del gobierno no federal (INEGI, SCT, SAGDR), de los gobiernos estatales y de particulares. Se logra decir que el éxito del proyecto necesita de una buena elección de ruta. El aprendizaje detallado del drenaje se lleva a cabo mediante las etapas del anteproyecto (si lo posee) o del proyecto finalizado. Los defectos de una mala selección de ruta se manifiestan tanto en estas etapas como después, en la construcción y la ejecución del camino.

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Figura 3.7 Drenaje artificial. (Barrón, Bautista, Martínez, Olvera y Ramírez, 2013, p. 12)

3.3.1 Consideraciones hidrológicas aplicables al estudio del drenaje. Los puntos que alteran el escurrimiento del agua son los siguientes: 

La cantidad de la precipitación.



El tipo de precipitación.



La dimensión de la cuenca.



El declive superficial.



La permeabilidad de los suelos y las rocas.



Las condiciones de saturación.



La cantidad y el tipo de vegetación.

En correlación con la cantidad y la forma de precipitación, se deberá de tomar en cuenta la porción anual de agua que cae y si lo hace en manera de aguacero o de lluvia fina mediante períodos largos. La dimensión del área que hay que drenar es fundamental, que un aguacero puede abarcar el total de una cuenca pequeña. No obstante, si las cuencas son muy grandes, la lluvia quizá caiga solamente en una porción de ellas y se infiltre demasiado al escurrir sobre el lugar sin mojar. Asimismo, la pendiente de la cuenca es muy importante, pues e agua se concentra con más velocidad mientras la pendiente es superior y la topografía deja cauces más directos. Si la permeabilidad de los suelos y rocas es mayor por su formación geológica (estratigrafía, fracturación, etc.), el escurrimiento es inferior porque una buena porción del agua se infiltra. Por

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otro lado, en suelos con una saturación superior o con una cubierta de pastizales cerrada, el escurrimiento es superior y también lento en el último caso. Hasta ahora existen distintos métodos hidrológicos para poder adquirir el gasto que pueda aportar una cuenca, y se deben de clasificar en: empíricos, estadísticos y basados en la relación lluvia-escurrimiento. “Los métodos empíricos se sustentan en la experiencia de los proyectistas y, en general, requieren que se conozca el tamaño de la cuenca considerada” (Olivera, 1986, p. 48). Por esto, se emplea un factor con el cual se tiende tomar en cuenta otras variables. No obstante, las fórmulas empíricas solamente son aceptadas para los lugares con propiedades similares a aquellas para cuales se desarrollaron; por eso es necesario que el proyectista emplee un buen juicio y su conocimiento por la experiencia, a fin de elegir los factores de manera adecuada. En los métodos estadísticos se hace el uso de datos de precipitaciones y escurrimientos que están registrados durante un largo período de tiempo y con base en los máximos anuales de la corriente que se maneje. Sin embargo, la mayoría de los estudios estadísticos se ha hecho para corrientes de mucha relevancia y no es aplicable a las cuencas mínimas que generalmente atraviesan los caminos, excepto para las que necesiten puentes de gran trascendencia. Para finalizar, los métodos basados en la relación lluvia-escurrimiento necesitan información de precipitación, también como de algunas propiedades de la cuenca en estudio. Su uso es limitado a cuencas mínimas, ya que estos métodos se procesan para áreas hasta 50 km². De lo pasado se concluye que los proyectistas y supervisores de caminos rurales tienen que contar con la habilidad, experiencia suficiente y un buen juicio para dar uso de los coeficientes o ajustar los métodos empíricos a los lugares del país que cruzan los caminos. Aparte de los métodos hidrológicos, existen además métodos de campo para poder saber el gasto de las corrientes donde se toman estrechamientos y cambios de pendiente, vertederos, etc. El de uso más común, por la información que se requiere, es el método de sección y pendiente.

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3.4.- SISTEMAS DE DRENAJE EN CARRETERAS. En carreteras, el sistema de drenaje es un conjunto de obras que permiten un manejo adecuado de los fluidos. Es indispensable considerar los procesos de captación, conducción, y la evacuación de los mismos. El exceso de agua u otros fluidos en los suelos o en la estructura de una carretera, sus propiedades geomecánicas se ven afectadas, sus mecanismos de transferencia de carga, presiones de poros, sobrepresiones de flujos, presiones hidrostáticas, y aumenta la susceptibilidad a los cambios volumétricos. Por este motivo, y todavía cuando el agua es un elemento fundamental para la vida, es una de las causas más importantes del deterioro prematuro de la infraestructura vial. “También se puede definir sistema de drenaje de una carretera, como el dispositivo específicamente diseñado para la recepción, canalización y evacuación de las aguas que puedan afectar directamente a las características funcionales de cualquier elemento integrante de la carretera” (Bañón, 2000, p. 75). 3.4.1 Economía en el drenaje. En el diseño del drenaje, una buena economía entiende el hallar la solución que sea más económica a lo largo. El primer paso es tener una aproximación del costo primario, los planes de mantenimiento y las pérdidas y los daños previstos por cada resultado razonable. Los problemas económicos en el drenaje son distintos, y no se prestan para decidir ninguna suposición o regla sencilla. Aquí, la incógnita más común en tales problemas es la frecuencia de inundaciones por las que se deben basar en el diseño. Para una carretera principal que tenga grandes volúmenes de tránsito pesado, las pérdidas para los motoristas y para que la economía pueda ser tremenda si el camino lo cierran frecuentemente por las inundaciones y los deslaves. Por otro lado, en un camino rural con muy poco movimiento, se perderá mucha economía por sí sola no justificará los grandes gastos de capital que deberán realizarse para poder evadir las interrupciones comunes del tránsito. Los estudios para la carretera principal pueden probar que los servicios del drenaje pueden dañarse con una inundación cada 50 años, en tanto que los diseños basados en una inundación 5 años podrían ser más accesibles para los caminos rurales.

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De otra manera, la capacidad para sufrir inundaciones poco frecuentes podría ser apropiada si es que las corrientes pequeñas causen la inundación de propiedades valiosas. No obstante, podrá ser más económico a lo largo inundar las tierras bajas a intervalos de varios años, más bien que elaborar canales y estructuras lo necesariamente grandes para defenderlas. Como otro ejemplo, los daños a los terraplenes dañados por las aguas de inundación, deberán de ser generalmente mucho más severos en las áreas áridas, donde las pendientes no están del todo protegidas, que en las áreas húmedas, donde están cubiertas con pasto y otros vegetales. De este modo, serán más correctos los diseños más generosos para evadir las inundaciones de terraplenes en las áreas áridas que en las áreas húmedas.

3.4.2 Objetivo de los drenajes en carreteras. El objetivo de este tipo de obras es manejar las aguas de escorrentía o también de flujo superficial, rápido y bajo control hasta su disposición final. Así, se convierten en un soporte relevante para el control de la erosión en taludes y para la protección de la estructura del pavimento, dejando la rápida evacuación del agua, que además de afectarla estructura, afecta la seguridad de los usuarios.

Figura 3.8 Evacuación de agua. Cosanher Contratistas Generales. (2015)

3.4.3 Importancia del drenaje. El agua que no es drenada altera las propiedades de los materiales que se usaron para las calles y facilita su rápida deformación y destrucción. Por ejemplo: hace perder resistencia a las bases y al suelo, y se garantiza que dure más la carretera en construcción.

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Figura 3.9 Deformación de un camino, según Cosanher Contratistas Generales. (2015) Dentro de esta extensa definición se distinguen algunos tipos de instalaciones encaminadas a cumplir objetivos, que son agrupadas en función del tipo de aguas que tienden alejar y/o evacuar, o de la disposición geométrica respectivamente al eje de la vía: 3.4.4 Drenaje superficial.- es el conjunto de construcciones destinadas a la recogida de las aguas pluviales o de deshielo, su canalización y evacuación para los cauces naturales, sistemas de alcantarillado o a la capa freática del terreno. Este drenaje se divide en dos grupos: 3.4.4.1 Drenaje longitudinal: este drenaje canaliza las aguas que caen sobre la plataforma y taludes de la explanación de dimensión paralela a la calzada, restituyéndole a sus cauces naturales. Por esto, se ejecutan elementos como las cunetas, caces, colectores, sumideros, arquetas y bajantes.

Figura 3.10 Drenaje longitudinal (Barrón, 2013, p. 13)

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Figura 3.11 Drenaje longitudinal (Bañón, 2000, p. 75).

3.4.4.2 Drenaje transversal: este drenaje permite el paso del agua a través de los cauces naturales que son bloqueados por la infraestructura viaria, de tal forma que no se ocasionen destrozos en esta última. También comprende pequeñas y grandes obras de paso, ya sean puentes o viaductos.

Figura 3.12 Drenaje transversal (Barrón, 2013, p. 13).

3.4.5 Drenaje profundo.- el objetivo de este drenaje es impedir el paso del agua a capas superiores de la carretera, principalmente al firme, por lo que es necesario controlar el nivel freático del terreno y los posibles acuíferos y corrientes subterráneas que existen. También emplea diferentes tipos de drenes subterráneos, arquetas y tuberías de desagüe. Es una práctica habitual mezclar ambos sistemas para poder lograr una total y eficiente evacuación de las aguas, aunque en algunas ocasiones (zonas muy secas o con suelos impermeables), es necesario ejecutar dispositivos de drenaje superficial. Una zanja. “es un tipo de excavación o depresión en el suelo. Las zanjas se caracterizan generalmente por ser más profunda de lo que son de ancho, y por ser estrechas en comparación con su longitud” (Revista ARQHYS, 2012).

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3.4.6 Alcantarilla con losa.- en carreteras, estas obras se presentan comúnmente en un terraplén y en un corte. Son construcciones necesarias por el obvio que se tiene que libras, que en la mayoría de los casos son arroyos o ríos que poseen un caudal relevante, casualmente un puente posee una longitud superior a 6.0 m. y se elabora con concreto en la mayoría de las veces, aunque a veces los construyen de estructura de acero. Las alcantarillas existen comúnmente en la construcción de un camino entre los 3 o 4 km. Así significando en la inversión total de un 15 % a un 20 % del costo total de la construcción, sus tamaños son inferiores a 6.0 m. y su construcción varía en la forma y en los materiales.

Figura 3.13 Perfil de alcantarilla (Barrón, 2013, p. 15). 3.4.7 Cunetas.- “las cunetas son canales que se adosan a los lados de la corona de la vía terrestre, en el lado del corte en secciones de esta naturaleza” (Barrón, 2013, p. 15), en los cortes en balcón existe una cuneta en un solo lado y en cortes en cajón, en ambas partes. La cuneta se dedica a la extremidad del acotamiento, en contacto inmediato con el corte. Su posición le deja recibir los escurrimientos de su punto de origen pluvial propios del talud y los de la zona comprendida entre el coronamiento del corte y la contra de la cuneta, si la hubiese o el terreno natural aguas encima del corte, si no hay contra cunetas. Además, la cuneta debe recibir agua que cae sobre la corona de la vía, ya cuando la pendiente transversal de esta tenga la inclinación necesaria para eso.

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Figura 3.14 Cuneta. Sección en balcón (Barrón, 2013, p. 16)

3.4.8 Cuneta. Sección de cajón.- la cuneta y su capacidad hidráulica como canal define primeramente la posibilidad de cumplir su uso de canalizar y borrar con velocidad el agua que vaya recolectando. La pendiente longitudinal mínima que deberá de existir será una cuneta que es de 0.50 %. La velocidad con la que el agua debe circular sobre ella, deberá de quedar entendida entre los limitantes del depósito y erosión, ambos indeseables.

Figura 3.15 Cuneta. Sección de cajón (Barrón, 2013, p. 16). Las cunetas se elaborar comúnmente de sección trapecial o triangular. En la práctica mexicana, la sección triangular es por mucho la más usual. El talud hacia la vía es como mínimo 3:1, de preferencia 4:1 y el que está del lado del corte sigue sensiblemente la inclinación de este. Se tiene que prever una lámina de agua no más de 30 cm. La sección triangular es la más preferente y fácil de elaborar; se constituye al terminar la capa subrasante y el trabajo podrá elaborarse con una moto conformadora. Su conservación es muy sencilla.

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Figura 3.16 Sección triangular típica de una cuneta (Barrón, 2013, p. 17).

En varias situaciones se han utilizado las cunetas en terraplenes. Se muestra una parte en curva, como la sobreelevación que corresponde. En la corona se muestra una forma de cuneta que se dispone, en algunas situaciones, con la función que en otras situaciones corresponde a los bordillos. Posiblemente esta solución podrá resultar desde el punto de vista hidráulico en lugares de precipitación fuerte y en carreteras de corona ancha.

Figura 3.17 Cunetas en secciones de terraplén (Barrón, 2013, p. 18) 3.4.9 Vado.- “este tipo de solución como obra de drenaje es como común, es una obra de paso para el agua, dejando que esta continúe su curso de manera natural sin afectar su nivel de escurrimiento” (Barrón, 2013, p. 18). Es decir, que el camino o carretera podrá pasar a nivel del agua, así respetando la actual condición que posee.

Figura 3.18 Vado (Barrón, 2013, p. 18)

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3.4.10 Contracunetas.- se llaman contracunetas, a los canales que son excavados en el terreno natural o que son formados con pequeños bordos, que está localizados en aguas arriba de los taludes de los cortes, con la finalidad de impedir el agua superficial que escurre ladera abajo desde alturas superiores, para poder evadir la erosión del talud y el congestionamiento de las cuencas y la corona de la vía mediante el agua y sus compuestos de arrastre.

Figura 3.19 Ubicación de una contracuneta en un camino (Barrón, 2013, p. 23).

Figura 3.20 Dimensiones de una contracuneta (Barrón, 2013, p. 23)

La contracuneta se elabora a una distancia variable del coronamiento de corte y necesita de la altura de este; su uso es que entre la contracuneta y el propio corte no sobre un área susceptible de crear escurrimientos de relevancia no controlados, asimismo no tiene que ser colocada demasiada cerca del corte, para así facilitar su trazo y dejar que se desarrolle sobre terreno que no se vea alterado por derrumbes leves, menores abatimientos o trabajos de amachine que generalmente se realicen.

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En cortes de altura usual es habitual que las contracunetas se hallen a una distancia del coronamiento del corte comprendido a través de la altura del mismo y la mitad de ese valor; en cortes mayores, el punto más aproximado de la contracuneta puede estar a unos 8 o 10 m. del coronamiento del corte. El proceso de la cuneta tendrá que ser sensiblemente paralelo al propio eje corte; de esta forma el canal se va elaborando con pendiente longitudinal. La contracuneta tendrá que manejar el agua captada a cañadas o cauces naturales en que existan obras que atraviese la vía terrestre y es habitual que para evitar el excesivo proceso del canal los extremos llegarán a tener pendientes muy considerables, sirviendo como auténticos lavaderos. 3.4.11 Lavaderos.- los lavaderos son canales que se unen con los bordillos y bajan de forma transversal por los taludes, con la función de manejar el agua de lluvia que escurre por los acotamientos hasta zonas alejadas de los terraplenes, donde no ocasione dificultades a la carretera. En resumen son estructuras de muy fuerte pendiente, propiedades principales de estos. Cuando se eligen en los caminos, están encima terraplenes, sobre los lados en terraplén, de cortes en balcón o en los lados de adentro de las curvas, cuando encajan a secciones también en terraplén. En partes en tangentes suelen proponerse cada 60 o 100 m., pero esta distancia es variable, depende de la pendiente longitudinal de la vía terrestre y sobre el régimen de precipitación pluvial del lugar. 3.4.12 Bajadas.- este tipo de estructura tiene un uso análogos a los lavaderos, pero formadas por un tubo soportado en la superficie inclinada del terreno o enterrado en él. En rigor la distinción respecto a los lavaderos es sencilla nomenclatura u bastantes ingenieros consideran a las bajadas como lavaderos entubados.

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Figura 3.21 Lavadero (Barrón, 2013, p. 25)

La tubería que se ha usado con más éxito es l lámina, provista de alguna junta capaz de drenar pequeños movimientos por temperatura o por asentamiento del terraplén o del terreno en que se ponga el tubo. En zonas de precipitación escasa o en donde la rapidez del escurrimiento no es mayor, deberá utilizarse también el concreto hidráulico para crear los tubos. Si se protege al concreto contra la erosión, se podrá extender mucho el campo de aplicación de este compuesto en sentido de las velocidades crecientes. El diámetro menor en los tubos de la baja tendrá que ser de 45 cm., pero no es imposible ver diámetros mayores de 60 cm. o más, en zonas donde se prevé la necesidad de quitar grandes gastos.

Figura 3.22 Bajada (Barrón, 2013, p. 26)

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3.5.- CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE. “A la hora de proyectar el drenaje de una carretera deben temerse presentes una serie de factores que influyen directamente en el tipo de sistema más adecuado, así como su posterior funcionalidad” (Bañón, 2000, p. 76). Lo más resaltados son: I.

Factores topográficos.- dentro de este conjunto se engloban circunstancias de tipo físico, como es la ubicación de la carretera según el terreno natural contiguo (en desmonte, terraplén o a media ladera), su topología del relieve existente (llano, ondulado, accidentado) o la disposición existente de sus pendientes referente a la vía.

II.

Factores hidrológicos.- se hacen referencia al área de la cuenca que recibe y aporta aguas superficiales que perjudica de forma directa a la carretera, así como la presencia, nivel y caudal de las aguas subterráneas que se pueden infiltrar en las capas inferiores del firme.

III.

Factores geotécnicos.- la naturaleza y las propiedades de los suelos que existen en la zona condicionada la facilidad con la que el agua puede pasar y llegar a la vía desde el punto donde se origina, así como la posibilidad de que cause corrimientos o una erosión excesiva el terreno. Las características a considerar son las que afecten a su permeabilidad, homogeneidad, estratificación o compacidad, así influyendo la existencia de la vegetación que existe.

IV.

Factores del clima.- se deberá de tomar en cuenta los estudios del clima tomando en cuenta si es muy lluvioso el área o muy seca o dependiendo de cómo poder elaborar el respectivo y correcto drenaje para la acertada salida del agua encharcada o allegada.

Cuando ya estén finalizados estos factores, se procederá al diseño de la red de drenaje, que tendrá que cumplir con los siguientes puntos: 

Evacuar de forma eficiente y lo más rápido posible el agua que cae sobre la superficie de rodadura y los taludes de la explanación contiguos a ella. Así, se deberá de evitar la inundación de los tramos más deprimidos de la vía.



Se debe de alejar del firme el agua freática, así como los posibles acuíferos existentes, emplear para ello sistemas de drenaje profundo.



Poner especial atención a los cauces naturales, como lo son los barrancos o ramblas, así disponiendo obras de fábrica que no afecten disminuyendo su sección crítica para períodos

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de retorno razonables. Se debe de recordar que las avenidas son las principales causantes mundiales de la destrucción de puentes. 

No hay que suponer un peligro que se añade para la seguridad del conductor, se emplea para ello taludes suaves y redondeando las aristas por medio de acuerdos curvos, evadiendo así posibles accidentes adicionales.



Se debe de cuidar el aspecto ambiental, así pretendiendo que produzca el menor daño posible al entorno.

Los puntos anteriores están como siempre supeditados a la economía de la construcción, por lo tanto que la solución adoptada deberá de tenerse en cuenta dos condicionantes adicionales: 

Lo que es el coste inicial de construcción e implantación del sistema de drenaje.



Los costes de restauración y el cuidado de la infraestructura de drenaje a lo largo de la vida útil de la carretera.

3.6.- HIDROLOGÍA. “La hidrología es la ciencia que estudia el agua en general, sus propiedades mecánicas, físicas y químicas, así como las formas y regímenes que esta presenta en la naturaleza” (Bañón, 2000, p. 77). Sus fundamentales usos en Ingeniería en Carreteras son: 

Calcular el caudal máximo de agua (caudal como referencia) que tendrá que canalizar de forma superficial la carretera, así efectuando para ello métodos de cálculo semiempíricos basados en la historia pluviométrica del lugar y las propiedades hídricas del terreno.



Dimensionar correctamente las estructuras de paso que no dejan o dificultan el paso del agua por sus cauces habituales.



Analizar la presencie y el régimen de la circulación de las aguas subterráneas y poder disponer de algunos medios para poder evadir su penetración en el firme.

3.6.1 Ciclo hidrológico. “Se denomina ciclo hidrológico, al conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido, gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.)” (Villón, 2002, p. 16).

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3.6.2 Período de retorno “Se define el período de retorno (T) de un caudal como el intervalo medio de tiempo durante el cual existe la posibilidad de que se produzca una avenida con un caudal superior al prefijado” (Bañón, 2000, p. 77). Un ejemplo sería un caudal con un período de retorno de 30 posee una probabilidad del 50 % de que salga un caudal mayor durante la vida útil de la carretera, que son 20 años, durante que otro con un período de 100 años posee una probabilidad 3 veces menor, y en general: 100 𝑃 = 100 − [100 − ( )] ^𝑐 𝑇 Siendo P la probabilidad de que salga un caudal superior al de la referencia. Siento T el período para retornar del caudal de referencia, mostrado en años. Siendo C el período de servicio de la carretera, generalmente 20 años. La elección del caudal de referencia para que el que tenga que proyectarse el sistema de drenaje superficial está unido directamente con la frecuencia de su aparición, que se podría definir por medio de su período de retorno, ya que cuanto superior sea este, superior será el caudal. En esta dirección la Instrucción de Carreteras, en su norma 5.2-IC que es dedicada al drenaje, menciona los períodos de retorno menores en función de la IMD:

Tabla 3.2 Período de retorno mínimo (Bañón, 2000, p. 78). En todo caso es recomendable usar períodos de retorno más grandes, ya que así se puede englobar la reducción de la sección provocada por los escombros y aterramientos, e incluso el probable riesgo de obstrucción que pasan las diferentes formas de elementos de drenaje superficial.

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En la situación de que existan serias probabilidades de que el efecto barrera causado por la aparición vía cause daños catastróficos, como la afección a estructurar portantes, anegación de los terrenos de cultivo, núcleos de población o pérdida de vidas humanas, se tendrá que considerar períodos de retorno hasta de 500 años en el proyecto de los componentes de drenaje transversal. 3.6.3 Determinación del caudal de referencia. El primero punto que tiene que darse a proyectar un sistema de drenaje es calcular el mayor caudal que va a tener que desaguar. Para esto, hay distintos procedimientos de estimaciones que en función del período de retorno y de otras variables calculan de forma suficiente precisa el caudal de referencia para dimensionar los distintos elementos de drenaje. La manera de estimar los caudales empleados va a necesitar primeramente de dos factores: la dimensión de la cuenca de aporte y la naturaleza geológica y topográfica del terreno. Sabemos por cuenca que es el lugar cuyas aguas fluyen todas hacia una misma área. Los más relevantes son: 

Realizar aforos: con esto se obtienen datos directos a cerca de los mayores caudales y avenidos que son registradas en el lugar, por lo que parece una base más que fiables para realizar el diseño del drenaje. Suelen usarse en grandes cuencas, donde suelen haber ríos, presas y construcciones hidráulicas de gran relevancia.



Método hidrometeorológico: este método racional está basado en la aplicación de una densidad medie de precipitación (sacada de los mapas pluviométricos) sobre toda la superficie de la cuenca, haciendo un cálculo de la escorrentía superficial. Se obtienen buenos resultados en cuencas pequeñas, es decir, en aquellas con un lapso de concentración igual o menos a 6 horas.



Modelos matemáticos.- unen el caudal mayor con el área de la cuenta, la fuerza de la precipitación, el coeficiente de escorrentía, la pendiente media, si hay vegetación o la permeabilidad del suelo. Sobresalen las fórmulas de Bürkli-Ziegler y la de Talbo, contempladas por la antigua Instrucción 5.1-IC.

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3.6.4 Método hidrometeorológico. Este método, usado en la actualidad por la Instrucción de Carreteras en cuencas de aporte menor, determina el caudal de referencia Q en el tramo en el que desagua una cuenta a través de la aplicación de una sencilla fórmula: 𝑄=

(𝐼)(𝐶)(𝐴) 𝐾

Donde Q es el caudal de referencia en unidades homogéneas. I es la fuerza media de precipitación que corresponde al período de retorno estipulado a un intervalo igual al tiempo de concentración. C es el coeficiente de escorrentía de la cuenca o superficie sacada. A es la superficie de la cuenca receptora. K es un coeficiente de corrección que posee en cuenta las puntas de precipitación, lo que da a entender un aumento del 20 % en el valor de Q. Se tiene que significar que en caso de aportar o perder relevantes de agua en la cuenca, como son surgencias o sumideros, el caudal de referencia deberá de calcularse de forma justificada, ya que la fórmula no se adaptará a la realidad que la hidrología tiene de dicha cuenca. La siguiente tabla mostrará los valores del coeficiente K en función de las unidades que se muestren el caudal de referencia (Q) y la superficie de la cuenca (A):

Tabla 3.3 Valores del coeficiente K (Bañón, 2000, p. 80).

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CONCLUSIONES.A lo largo de esta investigación, se concluyó que en las carreteras hay muchísima variedad de obras de drenaje para poder conducir las agua hacia el drenaje. Se pudo definir drenaje como un sistema que controla las aguas que pueden llegar a las carreteras causando problemas. En las obras de drenaje pudimos ver construcciones como son la de las alcantarillas que pueden ser de concreto; metal y de plástico, también se vio el uso de las bóvedas que cuando las alcantarillas no tienen el espacio necesario se usa este tipo de drenaje. Se habló sobre el drenaje natural y se dio por entendido que es donde las aguas se acumulan en las carreteras que caen en ríos, arroyos o acantilados. También se habló del drenaje artificial que es el grupo de obras que se utiliza para poder conducir y alejar del camino las aguas que lleguen a causar dificultades, este drenaje se clasifica en drenaje superficial y subterráneo. Se dio a conocer que existen muchos sistemas de drenaje, que es el conjunto de obras que permite un manejo adecuado de los fluidos o también como el dispositivo diseñado para la recepción, canalización, evacuación de las aguas que puedan ocasionar problemas. Un sistema de drenaje sería el drenaje superficial, que es el encargado de recoger las aguas pluviales, este drenaje se divide en: drenaje longitudinal y drenaje transversal. Otro sistema fue el drenaje profundo, que su función es impedir el paso del agua a capas superiores de la carretera. Se vieron otros tipos de drenaje como lo es la cuneta, y su contra, que es la contracuneta. Los criterios de diseño son factores que se tienen que tomar en cuenta para poder proyectar un drenaje, son los siguientes: factores hidrológicos, factores climáticos, factores geotécnicos y los factores topográficos. Estos factores son los más relevantes a la hora de aplicar un drenaje. Y por último, que la hidrología es una ciencia que estudia el agua con todas sus propiedades.

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