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• Martin Paucara Rojas

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OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS CAMINOS II

DEFINICION

DRENAJE Estructura que facilita el escurrimiento y evita el almacenamiento del agua en una zona particular.

OBJETIVOS Dar salida al agua acumulada en el camino. Reducir o eliminar la cantidad de agua que se dirija hacia el camino. Evitar que el agua provoque daños estructurales. Mejorar facilidad de acceso y la vida útil del camino.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACIÓN DE LOS CAUDALES FACTORES DE LA LLUVIA

FACTORES DE LA CUENCA

DURACIÓN (t)

MORFOMETRÍA

INTENSIDAD (i)

USO DEL SUELO

FRECUENCIA (f) VARIACION TEMPORAL

ALMACENAMIENTO

FACTORES DE LA LLUVIA DURACION (t) Es el período de análisis.

Las tormentas duran entre 5 minutos y 24 horas, y se utilizan para el cálculo de crecientes.

FACTORES DE LA LLUVIA INTENSIDAD (i) Se define como el volumen de precipitación por unidad de tiempo. Se expresa en milímetros por hora (mm/h)

FACTORES DE LA LLUVIA FRECUENCIA (f) Medida de la probabilidad de ocurrencia de eventos mayores o iguales que el que se analiza.

FACTORES DE LA LLUVIA VARIACION TEMPORAL Llamada también patrón.

Representada por el hietograma de la lluvia. La duración del aguacero se divide en "n" intervalos iguales, y a cada intervalo le corresponde una parte de la precipitación total.

FACTORES DE LA CUENCA MORFOMETRIA Características físicas cuenca vertiente.

de

Las principales son: El Área La Longitud del cauce principal La Forma La Pendiente del cauce La Pendiente de la ladera.

la

FACTORES DE LA CUENCA USO DEL SUELO

Tienen importancia en lo que hace relación con la capacidad de infiltración y con los estimativos de evapotranspiración.

FACTORES DE LA CUENCA ALMACENAMIENTO La Capacidad de regulación por almacenamiento tiene que ver con los tipos de almacenamiento que predominan en la cuenca; por ejemplo: Concentrados en embalses O repartidos en las corrientes de drenaje o en depósitos subterráneos.

FORMAS DE DRENAJE

DRENAJE NATURAL

DRENAJE ARTIFICIAL

TIPOS DE DRENAJE DRENAJE LONGITUDINAL

DRENAJE TRANSVERSAL

DRENAJE SUBTERRANEO

DRENAJE LONGITUDINAL O SUPERFICIAL Se construye sobre la superficie del camino o terreno. Sus funciones son de captación, salida, defensa y cruce. Algunas obras cumplen con varias funciones al mismo tiempo. En el drenaje superficial encontramos: Cunetas Contra Cunetas Bombeo Lavadero

DRENAJE LONGITUDINAL O SUPERFICIAL CUNETAS Son zanjas que se hacen en uno o ambos lados del camino. Conducen las aguas provenientes de la corona y lugares adyacentes hacia un lugar determinado, donde no provoque daños.

DRENAJE LONGITUDINAL O SUPERFICIAL CONTRA CUNETAS Prevenir que llegue al camino un exceso de agua o humedad. La practica ha demostrado que en muchos casos no es conveniente usarlas, debido a que, como se construyen en la parte aguas arriba de los taludes, provocan reblandecimientos y derrumbes.

DRENAJE LONGITUDINAL O SUPERFICIAL BOMBEO Inclinación que se da ha ambos lados del camino, para drenar la superficie del mismo. Evita que el agua se encharque provocando reblandecimientos. Evita que corra por el centro del camino causando daños debido a la erosión.

DRENAJE LONGITUDINAL O SUPERFICIAL ZAMPEADOS Es una protección a la superficie de rodamiento o cunetas. Evita la erosión donde se presentan fuertes pendientes. Se realza con piedra, concreto ciclópeo o concreto simple.

DRENAJE TRANSVERSAL Su finalidad es permitir el paso transversal del agua sobre un camino, sin obstaculizar el paso.

En el drenaje transversal encontramos: Puentes Puentes – vado Bóvedas. Alcantarillas

DRENAJE TRANSVERSAL PUENTES Estructuras de mas de seis metros de claro.

Se distingue de las alcantarillas por el colchón que estas llevan en la parte superior.

DRENAJE TRANSVERSAL PUENTES - VADO Estructura en forma de puente y con características de vado. Permite el paso del agua a través de claros inferiores en niveles ordinarios, y por la parte superior cuando se presentan avenidas con aguas máximas extraordinarias.

DRENAJE TRANSVERSAL BÓVEDAS Las bóvedas de medio punto construidas con mampostería son adecuadas cuando requerimos salvar un claro con una altura grande de la rasante al piso del río.

DRENAJE TRANSVERSAL ALCANTARILLAS Estructuras transversales al camino que permiten el cruce del agua. Están protegidas por una capa de material en la parte superior, pueden ser de forma rectangular, cuadrada, de arco o tubular. Se construyen de concreto, lamina, piedra o madera.

DRENAJE TRANSVERSAL BOXCULVERT Es una alcantarilla en forma de caja o cajón.

Se conoce como alcantarillas de cajón.

DRENAJE SUBTERRANEO Gran auxiliar para eliminar humedad que inevitablemente ha llegado al camino. Evita que provoque asentamientos o deslizamientos de material.

DRENAJE SUBTERRANEO

DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS

2 ALCANTARILLAS Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera. En la proyección e instalación de alcantarillas el aspecto técnico debe prevalecer sobre el aspecto económico, es decir que no pueden sacrificarse ciertas características hidráulicas sólo con el objetivo de reducir los costos. Sin embargo, es recomendable que la ubicación, alineamiento y pendiente que se elija para cada caso, estará sujeta al buen juicio del especialista, quien deberá estudiar los aspectos hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente la solución más adecuada compatible con los costos, operatividad, servicialidad y seguridad de la carretera.

Comparación entre alcantarilla - puente

Secciones típicas de alcantarillas

Secciones de alcantarillas con fondo natural

Variables hidráulicas en alcantarillas

Variables hidráulicas en alcantarillas

Control al ingreso

Control al ingreso

Control a la salida

Control a la salida

Flujo sobre la alcantarilla

Flujo sobre la carretera

Alcantarilla de perfil tipo sifón invertido

Alcantarilla de alineamiento curvo

Alcantarilla múltiple con un ojo para flujo mínimo

Alcantarilla de 3 tramos

Alcantarilla de 2 tramos

Diseño hidráulico con ábacos

Criterios de diseño de alcantarillas Ubicación en planta La ubicación en planta ideal es la que sigue la dirección de la corriente, sin embargo, según requerimiento del Proyecto la ubicación natural puede desplazarse, lo cual implica el acondicionamiento del cauce, a la entrada y salida con la construcción de obras de encauzamiento u otras obras complementarias. Se debe, elaborar una relación de alcantarillas completa con una columna para indicar el Angulo de esviaje de la alcantarilla con respecto a la vía. En las curvas se indica la palabra, “radial”.

Pendiente longitudinal La pendiente longitudinal de la alcantarilla debe ser tal que no altere desmesuradamente los procesos geomorfológicos, como la erosión y sedimentación, por ello, los cambios de pendiente deben ser estudiados en forma cuidadosa, para no incidir en dichos procesos que pueden provocar el colapso de la estructura. Para las alcantarillas pluviales y donde sea posible, se recomienda mantener una pendiente de 2%.

TIPOS DE ALCANTARILLAS MAS COMUNES: En general para carreteras en zonas lluviosas se recomiendan los siguientes tipos de alcantarillas y pontones: Tipo de Caudal y capacidad

Tipo

Función

TMC 600 mm

Solamente como pase de riego.

Qmax = 0.40 m3/s

Pluvial, de dimensiones mínimas

Qmax = 0.90 m3/s

máxima estimada

Ó tubos de concreto TMC 900 mm

por mantenimiento TMC 1200 mm

Para quebradas menores

Qmax =1.20 m3/s

TMC 1500 mm

Para quebradas medianas

Qmax= 2.00 m3/s

TMC 1800 mm

Para quebradas grandes

Qmax= 4.00 m3/s

Marcos de concreto

Quebradas

Caudal variable, poca cobertura de la carretera.

OTRAS OBRAS DE ARTE TRANSVERSALES

Tipo

Función

Badén

Quebradas

Tipo de Caudal y capacidad máxima estimada Arrastre de sedimentos, huaycos, caída de rocas etc.

Pontones, L> 6 m

Quebradas grandes

Arrastre de sedimentos, huaycos, caída de rocas etc.

Puentes, L> 10 m

Quebradas grandes, Ríos

Se

requiere

estudio

de

hidrología, socavación, etc. Gran caudal, arrastre de sedimentos, huaycos, caída de rocas etc.

TIPOS DE CABEZALES

Tipo Alero.- Es el más común, cuando el ancho de la quebrada se debe reducir para conducir el agua hacia el ingreso de la alcantarilla TMC. Puede ser a la entrada y a la salida de la alcantarilla. Tipo Cajón.- Solamente se usa a la entrada de las alcantarillas y sirva para contener el agua de las cunetas hacia la alcantarilla, tiene que tener un nivel de ingreso por debajo de la cota del tubo (10 cm) para los sedimentos y piedras. En las paredes verticales se pueden apreciar las descargas de los subdrenes. También se puede usar en un sector de corte en roca. Tipo Muro.- Es de altura variable y se puede usar para descargar el agua pluvial y se recomienda que solamente tengan una caída de 2 a 3 m como máximo dependiendo del material donde se descarga. En la planta, el muro puede ser de mucho mayor longitud que el requerido por la alcantarilla para asegurar la contención de la plataforma.

Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco Parámetro

TMC

Costos Rapidez construcción Rugosidad Calculo hidráulico

Relleno controlado

de

Menor costo

Marco de concreto armado Mayor costo

Rápido

Normal

0.024

0.015

Ábacos HDS05 HEC RAS HY8 Si requiere un relleno estructura para que funcione

Ábacos HDS05 HEC RAS HY8 No requiere un relleno estructural, el marco es autoportante Depende de la calidad del concreto y el recubrimiento. De concreto

Velocidad máxima

Depende del espesor de la plancha metálica

Cabezales

De concreto

Comentarios Depende mucho agregados Mejor es la TMC

de

los

El concreto tiene mayor capacidad hidráulica El cálculo es similar, varían los coeficientes y ábacos. Sin embargo el pavimento si require un control de los rellenos estructurales en ambos casos. En ambos casos v max < 5 m/s

Son iguales

Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco Parámetro

TMC

Recubrimiento

0.60 m

Limpieza

La corruga puede atrapar sedimentos, piedras, palizadas Entre 2% y 5%

Pendiente longitudinal

Sección transversal

Resistencia abrasión Mantenimiento

a

la

Circular Abovedada Arco superior Super SPAN No resiste arrastre de sedimentos permanente. Es fácil de cambiar los paños dañados.

Marco de concreto armado 0.00

El acabado liso permite una mejor limpieza del interior Entre 2% y 5 %, pero permite gradas, cambios de pendiente, etc. Rectangular, Puede tomar cualquier forma. Puede resistir mejor el arrastre de sedimentos Resanar, picar y cambiar los hierros oxidados, usar epóxidos como puente de adherencia.

Comentarios Si marco de concreto se refuerza puede quedar a nivel de rodadura. Mejor el marco de concreto

Mejor la alcantarilla Marco

Debido a los encofrados

Para flujos constantes es mejor una alcantarilla Marco Es mejor la TMC para el mantenimiento.

Algunos Programas de Cómputo para calcular alcantarillas

- HEC RAS

- HY8 - HYDROCULVERT

Programa HY8

Programa HY8

Programa HY8

Programa HY8 Modulo de disipación de energía a la salida

Programa HY8

Programa HY8 Total Discharge (cms)

Culvert Headwater Inlet Discharge Elevation Control (cms) (m) Depth (m)

Outlet Control Depth (m)

Flow Type

Normal Depth (m)

Critical Depth (m)

Outlet Depth (m)

Tailwater Depth (m)

Outlet Velocity (m/s)

Tailwater Velocity (m/s)

0.00

0.00

266.20

0.000

0.000

0-NF

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.40

0.40

266.62

0.418

0.130

1-S2n

0.276

0.315

0.277

0.026

1.785

2.520

0.80

0.80

266.80

0.603

0.277

1-S2n

0.387

0.451

0.393

0.040

2.163

3.320

1.20

1.20

266.95

0.751

0.404

1-S2n

0.477

0.556

0.485

0.051

2.416

3.901

1.60

1.60

267.10

0.901

0.523

1-S2n

0.559

0.646

0.567

0.061

2.616

4.371

2.00

2.00

267.23

1.029

0.641

1-S2n

0.630

0.727

0.641

0.070

2.774

4.773

2.23

2.23

267.30

1.097

0.0*

1-S2n

0.671

0.769

0.681

0.075

2.856

4.983

2.80

2.80

267.45

1.254

0.880

1-S2n

0.766

0.866

0.777

0.086

3.028

5.449

3.20

3.20

267.56

1.362

1.005

1-S2n

0.831

0.928

0.842

0.093

3.135

5.741

3.60

3.60

267.67

1.472

1.135

1-S2n

0.896

0.987

0.906

0.100

3.230

6.014

4.00

4.00

267.79

1.589

1.269

5-S2n

0.962

1.041

0.969

0.106

3.311

6.268

Programa HY8

Programa HYDROCULV

Programa HYDROCULV

Programa HYDROCULV

Programa HYDROCULV

Programa HYDROCULV

Programa HYDROCULV