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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGIA

SUBDRENAJE EN CARRETERAS Diseño, Construcción y Experiencias

Ing. Aquiles Berrocal

LIMA - PERÚ NOVIEMBRE 2017

CONTENIDO 1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.1 DAÑOS A LA VIA Y OBRAS ASOCIADAS 1.2 EL SUBDRENAJE COMO SOLUCION 1.3 EVALUACION E IDENTIFICACIÓN EN CAMPO

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.1 PERIODO DE RETORNO 2.2 TIPOS DE SUBDRENAJE Y ELECCION 2.2.1 Subdrenaje Convencional 2.2.1 Subdrenaje usando Geocompuesto 2.3 ESPECIFICACIONES DE LA TUBERIA DE SUBDRENAJE 2.4 ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL FILTRO 2.5 CAUDAL DE DISEÑO Y DIMENSIONADO DE TUBERIA 2.6 ENTREGA DE SUBDRENES

3. PROCESO CONSTRUCTIVO 3.1 SUBDRENAJE CONVENCIONAL 3.2 SUBDRENAJE USANDO GEOCOMPUESTO

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.1 DAÑOS A LA VIA Y OBRAS ASOCIADAS Consideraciones: • El pavimento flexible (carpeta asfáltica) se deteriora con la presencia de agua. • El pavimento rígido (losa concreto) sufre daños cerca a sus juntas de dilatación. • Niveles de agua altos bajo la vía, reducen su capacidad portante. • Las filtraciones provienen desde la fundación o desde los taludes adyacentes. Carretera en Selva Carretera en Sierra - Jauja Carretera en Costa - Lambayeque

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.1 DAÑOS A LA VIA Y OBRAS ASOCIADAS • Cuando la base y sub-base se saturan, ya sea por la filtraciones de lluvias a través de las grietas del pavimento o por niveles freáticos altos bajo la vía, tras el paso de los vehículos sobre el pavimento flexible (carpeta asfáltica) se produce ahuellamiento (deformación del asfalto, base y subrasante).

Fuente: Mansen, A. (2015)

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.1 DAÑOS A LA VIA Y OBRAS ASOCIADAS • Cuando la base y su-base se saturan, ya sea por la filtraciones de lluvias a través de las juntas o por niveles freáticos altos bajo la vía, tras el paso de los vehículos sobre las juntas de dilatación del pavimento rígido (losa concreto) se produce una expulsión de finos de la base, perdiendo esta zona capacidad de carga y provocando la aparición de grietas en la inmediaciones.

Fuente: Mansen, A. (2015)

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.1 DAÑOS A LA VIA Y OBRAS ASOCIADAS En los taludes adyacentes a la vía, considerar que: • En algunos sectores al realizar el corte para la carretera, se esta cortando también al flujo de agua subterránea. • La roca también transporta agua por sus grietas. • En suelos finos el ascenso capilar es notorio, lento pero sube.

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.2 EL SUBDRENAJE COMO SOLUCION • Abatir la napa freática alejándola de la fundación de la vía. Para ello se construyen zanjas de subdrenaje a los costados de la carretera, rellenos con material más permeable que la cimentación, que conducen el agua subsuperficial y la entregan a otra ubicación en donde no haga daño.

Zanjas de subdrenaje rellenas con material mas permeable que la del terreno

Recomendación: min. 1.0 m

Fuente: Mansen, A. (2015)

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.2 EL SUBDRENAJE COMO SOLUCION • Aliviar la presión adicional, por la presencia de agua subsuperficial, detrás de los muros de contención en los taludes adyacentes a la carretera.

Fuente: Mansen, A. (2015)

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.3 EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN EN CAMPO La identificación de sectores con nivel freático (N.F.) alto debe realizarse bajo las siguientes recomendaciones: • Al final de la temporada de lluvias (abril - mayo), cuando el N.F. es máximo. • Charcos y pequeños bofedales sobre o adyacentes a la vía.

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.3 EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN EN CAMPO La identificación de sectores con nivel freático (N.F.) alto debe realizarse bajo las siguientes recomendaciones: • Al realizar calicatas, el N.F. casi coincide con el nivel del terreno. Se recomienda la obtención del mapa de isohipsias e isoprofundidades para poder determinar la dirección del agua subterránea, ¿de donde viene y hacia donde va?.

1. PRESENCIA DE AGUA SUB-SUPERFICIAL EN CARRETERAS 1.3 EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN EN CAMPO La identificación de sectores con nivel freático (N.F.) alto debe realizarse bajo las siguientes recomendaciones: • Elaboración de ficha de campo en donde se recopile los tramos que demandan subdrenaje, incluyendo lugar y longitud de descarga.

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.1 PERIODO DE RETORNO DE DISEÑO

Tr = 30 años

Fuente: Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje. MTC, 2012.

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.2 TIPOS DE SUBDRENAJE Y ELECCION Subdrenaje convencional Zanjas excavadas y rellenas con material filtro (piedra chancada ¾” – 1 1/2”) envueltas con geotextil. Lleva una tubería perforada para conducción del agua subsuperficial.

Subdrenaje usando geocompuesto Zanjas excavadas y rellenas con material filtro (arena gruesa). Un geocompuesto (geotextil + geomanta) envuelve a la tubería y se alza verticalmente sobre la zanja.

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.3 ESPECIFICACIONES DE LA TUBERIA DE SUBDRENAJE Especificaciones típicas: • Tubería perforada de HDPE 6” (es flexible y se acomoda a curvas de vía). Liso interior y corrugado exterior. Rugosidad Manning promedio n = 0.013. • Se recomienda que las perforaciones vengan desde fábrica. Del suministro de tubos, algunos deben venir sin perforar, para colocarlos en los tramos de entrega del subdrenaje. La longitud máxima recomendad de subdrenes es 250 m. • La longitud comercial (de fábrica) es de 6 m. Instalaciones con Smin = 1%

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.4 ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL FILTRO Especificaciones típicas: • Piedra chancada angular ¾” – 1 1/2” para subdrenaje convencional. Existen canteras en costa y sierra. • Arena gruesa para subdrenaje con geocompuesto. Aplicable en selva donde es poco probable encontrar piedra.

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.5 CAUDAL DE DISEÑO Y DIMENSIONADO DE TUBERIA Los cuerpos de agua mantienen la existencia del N.F., las lluvias y la agricultura vuelven dinámica al N.F.

Fuente: Mansen, A. (2015)

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.5 CAUDAL DE DISEÑO Y DIMENSIONADO DE TUBERIA El caudal de diseño es la suma del caudal de infiltración (por lluvia) y por aporte del agua subsuperficial de la zona (riego y/o reservorios). ñ

=

+

Precipitación (P)

. . Precipitación (P)

Infiltración (I)

Infiltración (I)

Se asume convencionalmente que la infiltración es el 15% de una precipitación máxima de duración 30 minutos para un periodo de retorno dado (Tr 30 años MTC). Por lo tanto:

=

(

)(15%)

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.5 CAUDAL DE DISEÑO Y DIMENSIONADO DE TUBERIA De la figura anterior B = 5 m, asumiendo L = 250 m e Imax = 25 mm/hr :

= 1 Para el caudal por el abatimiento del nivel freático, se utiliza la ley de Darcy: . .

= k i A

Se asume convencionalmente que la diferencia de niveles entre la cresta del N.F. y la tubería subdren es de 1 m, por lo tanto el gradiente hidráulico (i) es igual a 1/B, mientras que el área de aporte es de 1 x L. Asumiendo una permeabilidad de 10-5 m/s, se tiene que: . .

= 0.5

ñ

= 1.5

Por lo tanto:

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.5 CAUDAL DE DISEÑO Y DIMENSIONADO DE TUBERIA ñ

= 1.5

Conclusión: • A pesar de considerar una situación critica, los caudales de diseño de subdrenes son bajos, lo importante no es el caudal es el volumen de agua que se tendría en el tiempo si es que no existiese el subdrenaje. • Una tubería de 6” como subdren casi siempre es suficiente (no funcionara a tubo lleno). No nos preocupemos tanto en el dimensionado, concentrémonos en determinar de donde viene el agua, como captarla y evacuarla.

2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.6 ENTREGA DE SUBDRENES Pueden descargar en: • Buzón de alcantarilla de alivio, alcantarilla de paso, badenes.. • Al terreno natural (si es suelo no erosionable, sino con protección).

3. PROCESO CONSTRUCTIVO 3.1 SUBDRENAJE CONVENCIONAL • Zanjas con maquinaria o a mano, el ancho de zanja mínimo 0.6 m. Supervisar las pendientes de los planos. • Tender geotextil sobre zanja y colocar cama arena de 0.1 m, luego colocar tubo y rellenar con piedras, finalmente una capa de afirmado min 0.3 m y compactar.

3. PROCESO CONSTRUCTIVO 3.2 SUBDRENAJE USANDO GEOCOMPUESTO • Tras realizar la zanja, colocar cama de arena y enseguida el geocompuesto con ayuda de troncos delgados (biodegradables). Luego vaciar la arena gruesa hasta cubrir la totalidad del geocompuesto, luego el relleno compactado.

Fuente: Maccaferri

GRACIAS [email protected]