Drenaje Vial

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Drenaje Vial para Ingenieros Viales FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAVIAL 1 Por Manuel Bengaray PUBLICACIONES DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA VIAL CARACAS, 2001 Drenaje Vial para Ingenieros Viales 2 ÍNDICE INTRODUCCIÓN PRIMERA PARTE: GENERALIDADES I GENERALIDADES ACERCA DEL DRENAJE VIAL 1.1 GENERALIDADES 1.2 DESCRIPCIÓN DEL DRENAJE VIAL MENOR II DAÑOS PRODUCIDOS POR EL AGUA A LAS CARRETERAS 2.1 DAÑOS QUE EL AGUA PUEDE PRODUCIR EN LAS VÍAS 2.1.1 Daños a las laderas 2.1.2 Daños a los taludes 2.1.3 Daños a los pavimentos 2.1.4 Inundaciones 2.2 INCONVENIENTES QUE EL AGUA PRODUCE EN EL TRÁNSITO 7 7 8 11 11 11 11 12 13 13 1 SEGUNDA PARTE: HIDROLOGÍA III CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA 3.1 CICLO HIDROLÓGICO 3.2 CUENCA 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. HIDROLÓGICA Línea divisoria de la hoya Área de la cuenca Forma de la cuenca 1.2.3.1 Factor de forma 1.2.3.2 Coeficiente de compactibilidad 1.2.3.3 Otras características de las cuencas 17 17 19 19 20 20 20 21 21 22 22 22 23 23 24 25 25 26 27 29 3.3 LA PRECIPITACIÓN 3.3.1. Tipos de precipitación 3.3.2. Medición 3.4 INTENSIDAD DE LA LLUVIA. . 3.4.1. Duración de la lluvia 3.4.2. Frecuencia 3.5 EVAPORACIÓN 3.6 INFILTRACIÓN 3.7 ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL 3.7.1. Descripción del ciclo de escorrentía 3.7.2. Medición del escurrimiento Drenaje Vial para Ingenieros Viales 3 3.7.3. El hidrograma 3.8 LA DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO IV LA FÓRMULA RACIONAL 4.1 ÁREA DE LA CUENCA 4.2 COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA 4.2.1. Permeabilidad del suelo 4.2.2. Cobertura vegetal 4.2.3. Topografía 4.3 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA 4.4 INTENSIDAD DE LA LLUVIA 4.4.1. Frecuencia de diseño 4.4.2. Tiempo de concentración 4.4.3. Duración de la lluvia 4.4.4. Curvas de intensidad-duración-frecuencia 4.4.5. Determinación de la intensidad de la lluvia 4.5 DISCUSIÓN DE LA FÓRMULA RACIONAL 29 30 33 34 34 34 35 35 35 38 38 41 43 46 46 48 V LOS HIDROGRAMAS 5.1 EL HIDROGRAMA TRIANGULAR 5.2 SUMA DE HIDROGRAMAS 5.3 EL HIDROGRAMA UNITARIO 5.4 LAS ISOCRONAS 5.5 EL HIDROGRAMA UNITARIO SINTÉTICO. MÉTODO DE C.O. CLARK 5.5.1. Histograma de % de área 5.5.2. Tránsito según método de Muskingum 5.5.3. Ejemplo resuelto 5.5.3.1. Isocronas 5.5.3.2. Tránsito según Muskingum 5.5.3.3. Cálculo del hidrograma unitario 5.5.4. Duración del hidrograma 5.6 APLICACIÓN DEL HIDROGRAMA UNITARIO DE C.O. CLARK 5.7 MÉTODO DE LAS ÁREAS EFECTIVAS VI HIDROLOGÍA DE LAS ÁREAS URBANAS 6.1 EL MÉTODO DEL SUMIDERO 6.1.1. Procedimiento 6.1.2. Procedimiento simplificado 6.1.3. Limitaciones del método simplificado 51 52 53 54 54 56 56 56 59 59 59 59 60 60 62 69 70 70 72 73 Drenaje Vial para Ingenieros Viales 4 6.1.4. Ejemplo ilustrativo 6.2 EL MÉTODO DE LAS ÁREAS EFECTIVAS EN ÁREAS URBANAS 6.2.1. Determinación de la red de drenaje 6.2.2. Tiempo de concentración 6.2.3. Determinación de la lluvia de diseño 6.2.4. Determinación de las hoyas afluentes a los colectores 6.2.5. Subdivisión del área total en áreas equivalentes 6.2.6. Determinación del gasto de diseño 76 77 78 78 78 79 79 84 TERCERA PARTE: HIDRÁULICA DE LOS CANALES VII ALGUNOS PRINCIPIOS DE HIDRAULICA 7.1 DEFINICIONES 7.1.1. Tipos de flujo 7.1.3. El caudal o gasto 7.1.4. Energía 7.2 DISTRIBUCIÓN DE LAS VELOCIDADES EN UNA SECCIÓN 7.3 TIPO DE FLUJO EN CANALES 7.4 CONTINUIDAD 7.5 ECUACIÓN DE BERNOUILLI 7.6 ENERGÍA ESPECÍFICA EN UN CANAL RECTANGULAR 7.7 LA VELOCIDAD CRÍTICA 7.8 EL NÚMERO DE FROUDE 7.9 NÚMERO DE FROUDE EN CANALES NO RECTANGULARES 7.10 SECCIONES DE CONTROL 7.11 EL RESALTO HIDRÁULICO VIII FLUJO UNIFORME EN CANALES ABIERTOS 8.1 LA FÓRMULA DE CHEZY 8.2 LA ECUACIÓN DE MANNING 8.3 SECCIÓN HIDRÁULICA ÓPTIMA DE UN CANAL 8.4 FLUJO EN CANALES CON RUGOSIDAD COMPUESTA IX PROYECTO DE PEQUEÑOS CANALES 9.1 LA SOCAVACIÓN 9.2 LA SEDIMENTACIÓN 9.3 CANALES DE FONDO FIJO Y DE FONDO MÓVIL 9.4 DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALES REVESTIDOS 9.4.1. Canales rectangulares 9.4.2. Canales trapeciales 91 92 92 92 93 93 94 95 95 96 98 100 101 102 103 105 106 106 107 109 111 112 113 113 115 116 118 Drenaje Vial para Ingenieros Viales 5 9.5 CANALES CON FONDO MÓVIL 9.6 EL COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN LOS CANALES NO REVESTIDOS 9.6.1. Valores de n según el contorno 9.6.2. Método del U.S. Conservation Service 9.6.3. Coeficiente n según Strickler 9.7 PENDIENTE DE LOS TALUDES 9.8 MÉTODO DE LAS MÁXIMAS VELOCIDADES PERMISIBLES 9.8 MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA 9.8.1 Método de la fuerza tractiva aplicado al fondo del canal 9.8.1. Método de la fuerza tractiva en los taludes del canal 9.8.2. Procedimiento para el dimensionamiento 119 119 119 119 122 122 122 126 126 129 133 9.9 RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO DE PEQUEÑOS CANALES 134 9.9.1. Capacidad y gasto de diseño 134 9.9.2. La velocidad crítica 134 9.9.3. Seguridad vial 135 9.9.4. Mantenimiento 135 9.9.5. Borde libre 135 9.9.6. Confluencias y cambios de sección 137 9.9.7. Juntas de contracción y dilatación 137 X LAS CUNETAS 141 CUARTA PARTE: DRENAJE SUPERFICIAL XI CAPACIDAD DE LOS SUMIDEROS 11.1 SUMIDEROS DE VENTANA 11.1.1. Sumideros de ventana en pendiente 11.1.2. Sumideros de ventana en puntos bajos 11.1.3. Capacidad de los sumideros de ventana en pendiente 11.1.4. Capacidad de los sumideros de ventana en puntos bajos 11.2 SUMIDEROS DE REJA 11.2.1. Capacidad de los sumideros de reja en pendiente 11.2.2. Capacidad de los sumideros de reja en puntos bajos XII CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL PROYECTO DEL DRENAJE SUPERFICIAL 12.1 DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO 12.1.1. Hoya afluente 12.1.2. Frecuencia y duración de la lluvia 12.1.3. Coeficiente de escorrentía 12.1.4. Cálculo del gasto 12.1.5. Pendientes 147 148 143 151 151 152 152 157 160 165 167 167 168 168 169 169 Drenaje Vial para Ingenieros Viales 6 12.2 VELOCIDADES DEL AGUA PERMISIBLES 12.3 UBICACIÓN DE LOS SUMIDEROS 12.4 SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE SUMIDEROS 12.4.1. Condiciones ideales 12.4.2. Condiciones reales 12.5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LOS SUMIDEROS 12.6 SISTEMA DE TUBERÍAS 170 170 171 171 173 175 176 12.7 SUMIDEROS QUE DRENAN DIRECTAMENTE A LOS CURSOS DE 177 AGUA QUINTA PARTE: ALCANTARILLAS CONVENCIONALES XIII HIDRÁULICA DE LAS ALCANTARILLAS 13.1 TIPOS DE FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS 13.2 ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA ENTRADA 13.3 ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA SALIDA 13.3.1. Altura de agua necesaria 13.3.2. Cálculo de la altura del agua a la entrada 13.3.3. Altura del agua en la salida 13.4 VELOCIDAD DEL AGUA EN LA SALIDA 13.4.1. Velocidad media del agua en alcantarillas con control a la entrada 13.4.2. Velocidad media del agua en alcantarillas con control a la salida XIV RECOMENDACIONES GENERALES PARA EL PROYECTO DE ALCANTARILLAS 14.1 GASTOS DE DISEÑO 14.2 TIPOS USUALES DE ALCANTARILLA 14.2.1. Cajones de concreto armado 14.2.2. Tuberías circulares prefabricadas de concreto 14.2.3. Tuberías de metal corrugado 14.3 DIÁMETROS MÍNIMOS 14.4 ALTURA DE AGUA PERMISIBLE A LA ENTRADA (HEP) 14.5 VELOCIDADES PERMISIBLES 14.5.1. Velocidades máximas en las tuberías 14.5.2. Velocidades mínimas 14.5.3. Velocidades máximas permitidas a la salida de la tubería 14.6 ARRASTRES 14.7 PROFUNDIDADES MÁXIMA Y MÍNIMA DE COLOCACIÓN 14.7.1. Tuberías de concreto 183 185 189 190 190 191 193 195 195 195 197 197 198 198 198 199 200 201 202 202 202 203 203 204 204 Drenaje Vial para Ingenieros Viales 7 14.7.2. Tuberías metálicas circulares 14.7.3. Tuberías metálicas abovedadas 14.7.4. Cajones rectangulares de concreto 14.8 UBICACIÓN DE LAS ALCANTARILLAS XV PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR HIDRÁULICAMENTE LAS ALCANTARILLAS 15.1 INFORMACIÓN PREVIA 15.2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 15.2.1. Selección del tipo de entrada 15.2.2. Selección del diámetro tentativo 15.2.3. Cálculo de HE con control a la entrada 15.2.4. Cálculo de la carga H en alcantarillas con control a la salida 15.2.5. Obtención de la profundidad crítica dc 15.2.6. La altura h0 15.2.7. Cálculo de la altura de agua HE necesaria a la entrada 15.2.8. Altura definitiva del agua a la entrada 15.2.9. Cálculo de la velocidad del agua en la salida 15.2.10 Velocidad del agua vs. velocidad permisible 15.2.11 Resumen de alcantarillas XVI PROCESO DEL PROYECTO DE DRENAJES 16.1 EL ANTEPROYECTO 16.2 EL PROYECTO DEL DRENAJE TRANSVERSAL 16.3 PROYECTO DEL DRENAJE LONGITUDINAL 204 204 205 205 213 213 214 214 214 216 217 218 218 219 219 220 221 222 227 227 229 232 SEXTA PARTE: ALCANTARILLAS CON ENTRADA MEJORADA XVII GENERALIDADES 17.1 TIPOS DE ENTRADA MEJORADA 17.1.1. Bordes achaflanados 17.1.2. Entradas ensanchadas lateralmente 17.1.3. Entrada con aumento de pendiente 17.2 CURVAS DE OPERACIÓN XVIII ENTRADAS MEJORADAS EN CAJONES DE CONCRETO 18.1 ENTRADA CON BORDES ACHAFLANADOS 18.1.1. Dimensiones de los chaflanes 18.1.2. Cajones de varias celdas 237 238 238 238 239 239 243 244 244 244 2 ENTRADAS ENSANCHADAS LATERALMENTE 18.3 ENTRADAS CON AUMENTO DE PENDIENTE 18.5 PASO 5: ENTRADA MEJORADA CON ENSANCHAMIENTO O AUMENTO DE LA PENDIENTE 21. Control en la cara anterior 18.4. Control en la cara 19. Alcantarillas múltiples XX CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO 20.4. Control en la garganta 18.1 ENTRADA CON BORDES ACHAFLANADOS 19.3.2 PASO 2: ANÁLISIS HIDROLÓGICO 21. Control en la garganta 19.1.2.2. Control en la arista superior de la caída 18.7 CONVENIENCIA ECONÓMICA XXI PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 21. Limitaciones para el diseño 18.3 PASO 3: TAMAÑO DE LA TUBERÍA CON CONTROL A LA SALIDA 21.3. Control en la cara 18.3 ALTURA PERMISIBLE DEL AGUA A LA ENTRADA 20.1.2.3.2.1 PASO 1: DETERMINAR Y ANALIZAR LAS CARACTERÍSTICAS DEL SITIO 21.3 ENTRADAS CON AUMENTO DE LA PENDIENTE 19.3. Caídas aguas arriba de la entrada 19. Batería de dos cajones XIX ENTRADAS MEJORADAS EN TUBERÍAS CIRCULARES 19.2.5 SEDIMENTACIÓN 20.1.2.2.5.2.1 LA SEGURIDAD VIAL Y LAS ENTRADAS MEJORADAS 20.Drenaje Vial para Ingenieros Viales 8 18.2. Uso de caídas aguas arriba 18.2 LA HIDROLOGÍA 20.3.2. Cajones dobles 18.2. Control en la garganta 18.3.3.3.6 VELOCIDAD DEL AGUA A LA SALIDA 20.6 PASO 6: ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA CAÍDA 245 246 246 246 247 247 248 248 248 249 249 251 251 252 252 253 253 254 254 254 255 255 255 256 256 256 257 257 259 259 261 261 263 263 265 .3.1.4 PASO 4: CÁLCULO CON CONTROL A LA ENTRADA CON ARISTAS VIVAS Y ACHAFLANADAS 21.3. Limitaciones al diseño 19.2 ENTRADAS CON ENSANCHAMIENTO LATERAL 19.4 DESECHOS FLOTANTES Y OTROS ARRASTRES 20. 1.4.7 PASO 7: DISEÑO DE UNA ENTRADA ENSANCHADA 21.1.2.5 ESTANQUE DE CONTORNO RÍGIDO 24.5.2.3. Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en la curva del control a la salida 21.7. Lista de variables 24.2 DISIPADOR DE ENROCADO 24. Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en el gasto de diseño Q 21. Proceso del diseño XXV DISIPACIÓN DE ENERGÍA POR IMPACTO 25.5. Recomendaciones 24.7. Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en la línea horizontal de CHEP 21.2.1.2. Régimen supercrítico 23.2.3 DISIPACIÓN DE ENERGÍA POR AUMENTO DE LA RESISTENCIA 24. Método de cálculo 24.1.4 INCREMENTO DE RESISTENCIA EN CAJONES DE CONCRETO 24.8 PASO 8: CONCLUSIÓN DEL PROYECTO 265 266 266 267 267 267 SÉPTIMA PARTE: DISIPADORES DE ENERGÍA XXII LOS DISIPADORES DE ENERGÍA 271 275 276 277 277 278 280 281 283 283 284 288 289 292 292 293 294 298 301 301 311 311 XXIII CAÍDA LIBRE EN CANALES 23.1 EL ENROCADO 24.2.1.1.2.1 CAÍDA LIBRE 23.4.7.2.2. Régimen subcrítico 23.Drenaje Vial para Ingenieros Viales 9 21.1 EL DISIPADOR DE ENERGÍA CONTRA COSTA .2 ESTANQUE DISIPADOR PARA VERTEDERO CON CAÍDA LIBRE 23. Variables 24. Procedimiento de cálculo 24. Procedimiento de diseño 23.7. Procedimiento del cálculo XXIV DISIPADORES DE ENERGÍA POR AUMENTO DE LA RESISTENCIA 24.1. Otras opciones 21.4.1.2. 2.2 LAS TORRENTERAS 25.2.1. Mantenimiento correctivo XXVII LA HIDROLOGÍA 27.2.2 CLASES DE MANTENIMIENTO 26.6 CAMBIOS EN LA RUGOSIDAD 28.7 MANTENIMIENTO PREVENTIVO EN CANALES Y CUNETAS XXIX MANTENIMIENTO DEL DRENAJE SUPERFICIAL 29. Método de diseño 25.1. Recomendaciones 313 314 318 323 OCTAVA PARTE: MANTENIMIENTO DEL DRENAJE VIAL XXVI GENERALIDADES ACERCA DEL MANTENIMIENTO 26. Sumideros de ventana 29.4 ARRASTRE DE DESECHOS FLOTANTES 28. La superficie del pavimento 29.3 FALLAS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS .3. Mantenimiento preventivo 26.2.2 27.1 GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO 26.Drenaje Vial para Ingenieros Viales 10 25.1 FALLAS POR SOCAVACIÓN EN LOS CANALES 28.2 FALLAS POR TUBIFICACIÓN 28.1.5 FALLAS ESTRUCTURALES 28.2. Sumideros de reja 29.1 FALLAS ESTRUCTURALES DEL DRENAJE SUPERFICIAL 29.1. El brocal-cuneta 29. Lista de variables 25.2.1.1.4 XXVIII 327 328 329 329 330 331 331 331 332 332 333 333 334 335 337 338 338 339 341 341 341 342 344 345 346 346 VARIACIONES DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA C VARIACIONES EN LA INTENSIDAD DE LA LLUVIA VARIACIONES DEL ÁREA DE LA HOYA CONSECUENCIAS SOBRE EL MANTENIMIENTO DEL DRENAJE MANTENIMIENTO DE CANALES Y CUNETAS 28.1.1.3 FALLAS POR SEDIMENTACIÓN 28.4.1.1 27.3 27.2 FALLAS FUNCIONALES 29.1. Efectos en el corto plazo 32. Tubificación 30.4 PROTECCIÓN MEDIANTE ESPIGONES 33.3.2.2 32. Protección con colchones de gavión 33.2.3.3.2. Variaciones de la hidrología 30.1.Drenaje Vial para Ingenieros Viales 11 29. Protección mediante colchón de losas de concreto .2 33.3 PROTECCIÓN DE LAS RIBERAS PROTECCIÓN MEDIANTE LA SIEMBRA DE PLANTAS PROTECCIÓN MEDIANTE EL RETARDO DE LAS AGUAS 33.5.2. Espigones impermeables 33.1 EFECTO DE LAS CARRETERAS SOBRE LOS RÍOS 32.6.2. Dimensionamiento hidráulico incorrecto 30. Efectos a largo plazo 32.2.4.2.1 33. Socavación en la salida 30.1.4.5. Socavación en los terraplenes en la salida 30.3.2.5 PROTECCIÓN MEDIANTE CUBIERTAS DURAS 33.1 FALLAS ESTRUCTURALES DE LAS ALCANTRILLAS 30.5.1. Arrastre de sedimentos y desechos flotantes XXXI SUBDRENAJES 347 349 349 352 352 352 352 353 353 355 365 369 372 372 373 373 375 377 377 378 378 378 379 380 381 383 385 386 387 387 XXXII LAS CARRETERAS Y LOS RÍOS 32. El enrocado 33.1.2.1. Espigones transparentes 33.1. Protección mediante jacks y tetraedros 33. Protección mediante cercas 33.4.4 MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL DRENAJE SUPERFICIAL XXX MANTENIMIENTO DE LAS ALCANTARILLAS 30.2.2.2 FALLAS FUNCIONALES DE LAS ALCANTARILLAS 30.1.5.3 EFECTOS DE LAS MODIFICACIONES DE LOS RÍOS SOBRE LAS CARRETERAS EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LOS CANALES NATURALES XXXII MANTENIMIENTO DE LOS CAUCES NATURALES I 33. 6 EMBOCADURAS BIBLIOGRAFÍA ANEXOS 388 395 ANEXO CURVAS REGIONALES DE INTENSIDAD-DURACIÓNA FRECUENCIA ANEXO NOMOGRAMAS Y GRÁFICOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLAS B ANEXO NOMOGRAMAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO C HIDRÁULICO DE ENTRADAS MEJORADAS 405 431 457 .Drenaje Vial para Ingenieros Viales 12 33. a merced de los fenómenos naturales. publicándose los gráficos. y evitar los daños que puedan causar en bienes aledaños a las mismas. impidiendo el deterioro que el agua produce en ellas. tanto en vías urbanas como rurales. al propio pavimento. que no están mayormente interesados en la hidráulica. a veces. debe asegurar el tránsito continuo. operación o mantenimiento. de lo que depende en gran parte el desarrollo de un país. Pero. . para los estudiantes que cursan la opción de ingeniería hidráulica. de forma que el transporte de pasajeros y carga resulte eficiente y económico. a la plataforma de tierra en la que se apoya el pavimento y. los disipadores de energía y otras estructuras. constituyendo el agua su principal enemigo. Todas las obras civiles necesitan. Es muy complicada. Exceptuando los magníficos textos de Luis E. y confortable de los vehículos. esta necesidad es notable. el drenaje debe asegurar las cuantiosas inversiones que representan las vías. Bolinaga (9). puesto que no se ha logrado solucionar analíticamente los principales problemas del cálculo de las alcantarillas.Drenaje vial para ingenieros viales 1 INTRODUCCIÓN Drenaje es la acción de avenar. a los taludes de corte y relleno. Para los estudiantes de opciones como la ingeniería estructural. Revisando la bibliografía existente se percibe que existen pocos textos dedicados específicamente al drenaje vial. El agua produce daños a todos los elementos que constituyen el cuerpo de la carretera: a las laderas naturales. dar salida al agua de los terrenos húmedos por medio de las estructuras e implementos adecuados. por otro lado. por último. del drenaje. la vial y la sanitaria. J. lo que resulta insuficiente. este tema resulta de poco interés y. En el caso de la vialidad. todos esos problemas han sido solucionados empíricamente. ya que las estructuras viales están a la intemperie. La protección que el drenaje vial brinda puede ser de dos tipos: por un lado. sino obtener un sistema de transporte más económico. el drenaje vial se dicta como parte del diseño geométrico de las carreteras. No debe olvidarse que el objetivo de las carreteras no es ahorrar dinero en la construcción. Franceschi (8)1 y J. resultando obligatorio para todas las opciones de la ingeniería civil. 1 Los números entre paréntesis indican la bibliografía al final del texto. son pocos los libros destinados a tratar organizada y exhaustivamente el tema del drenaje vial. por otra parte. seguro. En la Universidad Central de Venezuela y en algunas otras. es decir. Generalmente la teoría aplicable a este tema se encuentra diseminada en libros y publicaciones de hidráulica que abarcan temas más amplios. nomogramas y figuras que permiten obtener resultados sin entrar en el meollo teórico del problema. esta es la única oportunidad de estudiar el drenaje vial. La hidráulica del drenaje vial es muy complicada o muy sencilla. según sea el punto de vista con que se enfoque. de una u otra forma. se enfrente el dimensionamiento hidráulico de las estructuras sin la necesaria profundidad de conocimientos. Este manejo empírico del problema permite que. Es por ello que se decidió redactar este trabajo dirigido a todos los estudiantes de pregrado de ingeniería civil. es decir. en la octava parte se describe las . pues es sobre estos especialistas que recae la responsabilidad del tema. se hace un repaso de los principios elementales de la hidráulica de los canales y se describe la forma de proyectar pequeños canales y cunetas. sino que también disminuirá la vida útil de las vías y se pondrá en juego la seguridad del tránsito automotor. a los ingenieros hidráulicos cuyo primer interés no sea el drenaje vial. La séptima parte está dedicada a la descripción de algunos métodos de cálculo de disipadores de energía y. como última parte de este trabajo. sin ninguna preparación acerca del tema. deben tener conocimientos sólidos acerca del problema. Por esto. principalmente. los ingenieros viales también deben manejar el problema del drenaje en el proceso del proyecto de las vías y. no se intentará describir problemas como el diseño de canales de cierta importancia. las cunetas. En la segunda se exponen algunos conceptos de hidrología y métodos sencillos del cálculo de los gastos de diseño. Sin mantenimiento no solamente disminuye la vida útil de las estructuras de drenaje. para reparar una estructura cualquiera. compuesto por los brocales-cuneta y los sumideros. se describe la forma de proyectar el drenaje superficial. el proyecto de las alcantarillas convencionales. En la cuarta. se sigue relegando el problema a la atención de ingenieros recién graduados. La primera parte está dedicada a ciertas generalidades concernientes al drenaje vial. El mantenimiento sigue siendo un tema olvidado: a pesar de las ingentes sumas de dinero que se invierte en el mantenimiento vial. la hidráulica de los puentes o las llanuras de inundación. Este trabajo se limita a estudiar el drenaje menor. No se debe olvidar que. la bibliografía existente está dirigida. por último.2 Drenaje vial para ingenieros viales Como es natural. Sin embargo. a los proyectistas viales y. que un buen proyecto de drenaje vial es vital para el funcionamiento del transporte de bienes y personas. La quinta parte se dedica al drenaje transversal. En la tercera. Nunca un maestro de obras podrá juzgar cómo se calculó una alcantarilla ni los motivos que causaron la sedimentación que la obstruyó. a los ingenieros hidráulicos. lo que implica grandes responsabilidades administrativas. Este trabajo consta de ocho partes divididas en treinta y un capítulos. o se confía a las manos de obreros y técnicos de insuficiente preparación. se ha incluido los conocimientos mínimos que debe tener un ingeniero vial acerca del mantenimiento del drenaje vial. es decir. Vemos. Puesto que este curso está dirigido a los ingenieros viales y otros profesionales sin una preparación especializada en hidráulica. La inclusión del mantenimiento del drenaje está dirigida a todos los ingenieros civiles. se debe conocer su funcionamiento. técnica esta poco empleada en el país. pues. pequeños canales y alcantarillas que disponen el agua proveniente de las precipitaciones que caen sobre las carreteras y las zonas aledañas que escurren hacia ella. si bien es cierto que cuentan con el asesoramiento y colaboración del ingeniero hidráulico. En la sexta parte se hace una descripción bastante detallada del diseño de alcantarillas con la entrada mejorada. Pero de poco sirve un buen proyecto y construcción del drenaje si no se dispone de un buen sistema de mantenimiento. para cuya comprensión y correcto manejo es necesaria una sólida formación hidráulica. Al final del libro.Drenaje vial para ingenieros viales 3 principales operaciones de mantenimiento del drenaje vial. . se incluyen los anexos correspondientes a los gráficos y nomogramas necesarios para el diseño. 4 Drenaje vial para ingenieros viales PRIMERA PARTE GENERALIDADES . aquellos ingenieros civiles que no dominen la hidráulica deben hacer gala de una gran prudencia: nunca podrán saber de antemano con qué tipo de problemas se pueden tropezar en el transcurso de la tarea. Un tercer tipo es el subdrenaje. Todo lo dicho lleva a recomendar que. Adicionalmente. esta acción está destinada a mantener la vía libre de agua. sensiblemente paralelas a la vía. Para ello se deben disponer estructuras que capten las aguas superficiales y subterráneas. tener la intuición del comportamiento de los fluidos que solamente se adquiere con la práctica. se puede decir que el dimensionamiento hidráulico de los drenajes forma parte de la hidráulica y. al emprender un proyecto de drenaje vial. Sin embargo. evitando los daños a la vía o a las propiedades adyacentes y permitiendo el tránsito seguro y cómodo de los vehículos. El proyectista debe ser prudente y abstenerse de penetrar en áreas en las que puede no estar suficientemente preparado.1. quedarían interrumpidos por ella. también. gran parte de los conocimientos y destrezas necesarias para desarrollar esta actividad son empíricos. las conduzcan fuera de la carretera y las dispongan en los cauces naturales. por lo que pudiera no parecer necesario llegar a profundizar en la hidráulica para realizar el proyecto de las estructuras usuales del drenaje vial superficial. el cual desaloja las aguas infiltradas en los suelos. a quien va dirigida esta obra. pertenece al campo de trabajo de los ingenieros hidráulicos. En el drenaje vial. GENERALIDADES Drenaje es la acción de dar salida al agua de los terrenos húmedos por medio de las estructuras e implementos adecuados. es imprescindible tener conocimientos sólidos de algunos principios esenciales que permitan comprender el problema para poder darle la solución adecuada. Se llama drenaje longitudinal al que recoge las aguas que caen sobre la vía o que escurren por las laderas hacia ella y las dispone en los cursos de agua naturales mediante estructuras longitudinales. Se puede decir que los conocimientos de mecánica de los fluidos e hidráulica que se imparten en los cursos de pregrado son suficientes para emprender el proyecto del drenaje superficial. Se podría decir que la principal virtud del ingeniero vial. Como verdad de Perogrullo. Para poder asegurar un proyecto de drenajes adecuado. Sin embargo. tanto durante la lluvia como después de ella.Drenaje vial para ingenieros viales 5 CAPÍTULO I GENERALIDADES ACERCA DEL DRENAJE VIAL 1. El drenaje transversal consiste en aquellas estructuras que permiten el paso de los cursos de agua a través de la vía que. por lo tanto. de otra manera. no solamente son necesarios los conocimientos teórico-prácticos que puedan ser adquiridos en la educación formal: es necesario. será la de ser capaz de distinguir aquellos problemas que estén fuera de su alcance y tener la humildad de saber pedir la colaboración de los especialistas cuando ello sea necesario. se divide en longitudinal y transversal. ya que algunas de las estructuras se emplean predominantemente en uno u otro de ellos. El drenaje vial puede dividirse en urbano y rural. . la pendiente del pavimento descendente del eje hacia los bordes. de entre las cuales se excluyen los puentes. pontones. La primera estructura que se destina a ese fin es el propio pavimento. A continuación se hará una somera descripción de este drenaje. por donde llega a las cunetas o los subdrenajes. sin pretender que ella sea exhaustiva. Este tipo de pavimento se construye sobre una capa no filtrante. de manera que el agua no pueda pasar hasta la subrasante. canales de grandes gastos y problemas de zonas inundables. es otra aplicación del pavimento como dispositivo de drenaje. TABLA I-1 ESTRUCTURAS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE DRENAJE VIAL MENOR SUPERFICIE DEL PAVIMENTO BROCAL CUNETA DRENAJE SUMIDEROS URBANO REDES DE TUBERÍAS SUBDRENAJE Pavimento drenante DRENAJE SUPERFICIE DEL PAVIMENTO Bombeo RURAL Canales Cunetas laterales Cunetas de coronación Torrenteras Caídas Disipadores de energía Cajones rectangulares Circulares de concreto De ventana De reja Pavimento drenante Bombeo PEQUEÑOS CANALES ALCANTARILLAS . Esta inclinación hace que las aguas que caen sobre la calzada corran hacia afuera. de forma que el agua pueda penetrarlos y drenar hacia los bordes a través del mismo pavimento. donde no representen peligro para el pavimento ni los vehículos. En algunos países se construyen pavimentos con una capa de rodamiento de alta porosidad. El bombeo.2. En la tabla I-1 se da un resumen de los componentes del sistema de drenaje vial aquí descritos. DESCRIPCIÓN DEL DRENAJE VIAL MENOR Se llama drenaje vial menor al conjunto de estructuras de relativamente pequeño tamaño destinadas a tal fin. es decir.6 Drenaje vial para ingenieros viales 1. caídas y disipadores de energía. aun cuando también se pueden encontrar en el drenaje urbano. . Cuando la descarga de alguno de estos canales se realiza en terrenos de gran pendiente. Al no considerar los puentes y pontones. el cual puede estar presente en cualquier tipo de vía.Drenaje vial para ingenieros viales 7 Metálicas SUBDRENAJE Circulares Abovedadas Corrugadas En el drenaje urbano. las aguas son dispuestas en las cunetas. Para ello se construyen torrenteras. el drenaje transversal queda compuesto por las alcantarillas. desde estos. que son elementos propios principalmente del drenaje de vías rurales. En el drenaje de vías rurales. se disponen las llamadas cunetas de corona. Este está formado por capas de material granular filtrante y tuberías perforadas dispuestas para que recolecten y dispongan de manera conveniente las aguas presentes en el subsuelo. está el subdrenaje. pues los canales con grandes gastos presentan problemas hidráulicos que exceden el alcance de este trabajo. las aguas así desplazadas son recibidas por los brocales-cuneta. Por último. que son cunetas dispuestas en lo alto de los taludes corriendo de forma sensiblemente paralela al borde superior de ellos. pasan a la red de tuberías. Cuando el gasto es demasiado grande para poder ser transportado mediante una cuneta. se disponen canales de mayor sección. Para proteger los taludes del agua que corre libremente por las laderas. que las conducen a los sumideros y. es necesario proteger los suelos para impedir que se produzca socavación y se ponga en peligro la integridad física de la carretera. En este trabajo solamente se tratará aquellos canales con gastos pequeños. las cuales las llevan hasta otros cursos de agua. Los muros de contención construidos para garantizar la estabilidad de los taludes también pueden sufrir con la presencia de agua ya que.3 Daños a los pavimentos. arrastra partículas de suelo cada vez de mayor tamaño. 2. si el suelo está saturado por la falta de un subdrenaje adecuado.1. cuyo curso puede ser modificado por la construcción de la carretera.1. pudiendo provocar la falla del muro.1. produce el fenómeno del . la base y la superficie externa.8 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO II DAÑOS PRODUCIDOS POR EL AGUA A LAS CARRETERAS 2.1.2 Daños a los taludes. Puesto que el peso unitario seco es mayor que el peso unitario sumergido. que antes pertenecía a la parte interior de la masa de tierra. Cuando el nivel freático está muy superficial. la sub-base. 2. DAÑOS QUE EL AGUA PUEDE PRODUCIR EN LAS VÍAS Se dice. El agua está presente en casi todas las fallas de los pavimentos como posible agente de las mismas. Los pavimentos sufren daños por la presencia de agua en la sub-rasante. lo cual puede provocar deslizamientos durante la vida útil de la vía.1 Daños a las laderas. tanto las aguas superficiales como las subterráneas causan grandes daños a las estructuras. el empuje de tierras se transforma en presión hidrostática. tal vez socave las laderas naturales produciendo cárcavas que pongan en peligro la integridad física de la vía. En efecto. lo que acelera la velocidad del agua que. 2. que pueden llegar al colapso. en consecuencia. Así vemos que las fallas por desintegración del pavimento. los agrietamientos. Para construir la plataforma de una carretera es necesario cortar las laderas. A continuación se describirá algunos de esos daños. la sub-base o la base de los pavimentos provoca un efecto de flotación en las partículas del material que induce el movimiento de las partículas y la consiguiente erosión en las uniones entre diferentes pavimentos y bases. la saturación de la sub-rasante. por lo cual hay que disponer estructuras que eviten esos daños. la inestabilidad y las deformaciones. También puede ocurrir que la napa freática sea muy superficial o resulte modificada por la construcción de la carretera. a su vez. se transforma en la presión atmosférica. En los terraplenes. que el peor enemigo de las carreteras es el agua. Ello. siendo sus principales enemigos las acciones erosivas y la presión de poros. La escorrentía superficial. Ello provoca un mayor gradiente hidráulico. pueden ser causadas por un mal sistema de drenaje. la saturación del material produce fallas semejantes a las de un deslizamiento de tierras. pudiendo provocar la inestabilidad del talud. con razón. la presión en la cara del talud. el suelo-cemento. la capilaridad también provoca presiones que le pueden causar daños. la carretera pagará las consecuencias. base y capa de rodamiento) va apoyado sobre la sub-rasante. Por otra parte. mostrado en la figura II-1: el agua se deposita en las cavidades formadas bajo el pavimento por la migración de los finos y. El agua también hace que el aumento de la presión neutra provoque la disminución de la presión efectiva y. En muchas oportunidades. Estos fenómenos se presentan tanto en las grietas del pavimento asfáltico como en la superficie de contacto entre diferentes capas del mismo y entre él y la base. Produce también la pérdida de cohesión en las bases mejoradas como. con ello. Puesto que el pavimento (sub-base. sale por las grietas del pavimento asfáltico o por las juntas del pavimento rígido. la sub-base y la base pierdan capacidad portante.Drenaje vial para ingenieros viales 9 RUEDA DEL VEHÍCULO AGUA EXPULSADA PAVIMENTO GRIETAS AGUA DEPOSITADA EN LA SUBARASANTE PAVIMENTO DEFORMADO Figura II-1: El fenómeno del bombeo en los pavimentos. en el sitio a adecuado y con las dimensiones necesarias.4 Inundaciones. que la sub-rasante. por ejemplo. lo que obliga a construir estructuras hidráulicas que permitan el correcto drenaje de la zona. El agua depositada en las grietas del pavimento contribuye a la aparición de grietas de contracción. bombeo. Si no se disponen las estructuras adecuadas. cuando el paso de un vehículo aplica una presión sobre ella. la saturación de esta prodece deformaciones que lo llevan al colapso. La repetición de este proceso provoca un aumento en la intensidad del fenómeno comparable con el golpe de ariete. la oxidación del asfalto y la pérdida de flexibilidad e impide el auto-sellado de las microgrietas al introducir arcillas en ellas. 2. ya que no está diseñado para soportar esfuerzos cortantes. las obras viales modifican el patrón de drenaje de una zona o interrumpen los cursos de agua. lo que puede producir la rotura en pedazos irregulares de varias de sus capas.. pues se pueden producir daños que van . por lo que el Estado debe ofrecer vías que. puede provocar la pérdida de los frenos y. El agua produce varios inconvenientes al tránsito. si se circula a cierta velocidad. INCONVENIENTES QUE LAS AGUAS PRODUCEN EN EL TRÁNSITO. Si el ancho de inundación que produce este brocal-cuneta es excesivo. con la posibilidad de accidentes graves. se puede llegar a la conclusión de que el sistema de drenaje es imprescindible tanto para garantizar la integridad física de las vías de comunicación como para asegurar un transporte rápido.10 Drenaje vial para ingenieros viales desde la destrucción de una parte de la carretera hasta la inundación de terrenos aledaños. Si el nivel es lo suficientemente alto. Si se deja que alcance niveles altos sobre la superficie de rodamiento. 2. puede mojar el sistema eléctrico e interrumpir el funcionamiento del motor. funcionen en las condiciones para las cuales fueron proyectadas. se corre el peligro de salpicar a los otros vehículos. cómodo y económico de bienes y personas. En las vías urbanas el agua se recoge en el borde del pavimento mediante el llamado brocal-cuneta. provocando una disminución de la capacidad de las vías y los consiguientes congestionamientos del tránsito. Como ya se dijo.2. las carreteras se construyen con el fin de brindar un servicio de transporte eficiente y económico a la población. si no es desalojada rápidamente de la superficie de rodamiento puede formar una película entre el pavimento y el neumático que actúa como un lubricante y provoca aquaplanning o deslizamiento del vehículo. Así pues. puede dejar de funcionar uno de los canales de circulación. privándoles momentáneamente de visibilidad. con consecuencias imprevisibles. Aunque el agua no llegue a niveles tan altos como los descritos. . bajo cualquier condición climática. Drenaje vial para ingenieros viales 11 SEGUNDA PARTE HIDROLOGÍA . Una parte de la precipitación que cae sobre la tierra es interceptada por la vegetación y se evapora.1. Otra parte es utilizada por la vegetación que. la dispone de nuevo en la atmósfera. particularmente con respecto a la evaporación y la lluvia. CICLO HIDROLÓGICO Puede visualizarse como el conjunto de caminos a través de los cuales circula el agua y va experimentando transformaciones: atmósfera. de aquel flujo subterráneo que circula con relativa velocidad a niveles poco profundos de los suelos. pasa a la atmósfera por evaporación. . En el cuadro siguiente se puede ver un resumen. depositada en la hidrosfera (océanos. al entrar en contacto con el suelo. en el proceso de la evapotranspiración.12 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO III CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA. lagos y ríos). mientras que la otra parte pasa a conformar el agua subterránea profunda. distribución y circulación del agua. litosfera.I Infilt. formando nubes que. pofunda ⇒ MIENTO ⇒ Ó N ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL ⇒ ⇒ ⇒ El agua. Todas las aguas que atraviesan la superficie de los suelos forman la percolación. Una tercera porción se almacena en las irregularidades de los suelos y rocas formando charcos. La hidrología es la ciencia que trata de las propiedades. al cumplir ciertas condiciones. se condensan en gotas de agua y se precipitan como lluvia. hidrosfera. es decir. CICLO HIDROLÓGICO P E R V E A C P I O P R ⇒ I⇒ A T C A I C Ó I N Ó N INTERCEPCIÓN EVAPOTRANSPIRACIÓN E V A Evaporación ⇒ P ALMACENAJE ⇒ O Infiltración R ⇒ ⇒ A Gasto intermedio ⇒ PERCOLACIÓN ⇒ C INFILTRACIÓN ⇒ ESCURRI. Específicamente es el estudio del agua sobre la superficie del terreno. Una cuarta porción. 3. en los suelos y las rocas subyacentes y en la atmósfera. evaporándose una parte de ella e infiltrándose el resto en los suelos. se infiltra yendo una parte de ella a formar parte del gasto intermedio. mares. Drenaje vial para ingenieros viales 13 Entre tanto. Su ubicación se identifica buscando aquellos lugares en que una gota de agua que caiga contigua a uno de los lados de la divisoria correrá hacia una de las cuencas. Así pues. Se suele usar el término hoya para designar a cuencas de pequeña extensión. el concepto de cuenca está íntimamente ligado a un cauce y a una sección del mismo. La cuenca está limitada en todo su contorno por una línea divisoria que la separa de las otras hoyas o cuencas. Esta divisoria está formada generalmente por las máximas alturas del terreno y separa la precipitación que cae sobre dos cuencas vecinas. tal como se muestra en la figura III-1.1 Línea divisoria de la cuenca. como llegan con considerable retardo a los cauces naturales no contribuyen de forma significativa a la conformación del gasto pico de las crecientes. en cuanto a su incidencia en el drenaje superficial.2. correrá hacia la otra cuenca. 3. por ser esta la más abundante y llegar de forma concentrada y con la mayor rapidez a los lugares en que las vías de comunicación interrumpen dichos cursos de agua. mientras que la que caiga contigua por el otro lado. podremos establecer la cuenca del río Guaire en Puente Baloa (Petare). formando la escorrentía superficial que llega a los cursos de agua y. Por ejemplo. CUENCA HIDROLÓGICA La cuenca hidrológica es una parte del terreno tal que el agua de la lluvia que cae en su superficie se concentra saliendo por un solo punto situado en el cauce que la drena. mientras que la caída en B sí llegará al curso de agua: entre A y B pasa la divisoria Curso de agua . dirigiendo las aguas hacia uno u otro sistema fluvial. según nos interese calcular el gasto en uno u otro lugar. a la larga. mares y océanos. a través de estos. Las aguas de la percolación y todas las demás que no se evaporan forman el escurrimiento que. llega a la hidrosfera donde terminan por evaporarse y se incorporan a una nueva ronda del ciclo hidrológico. solamente resultan significativos los gastos provenientes de la escorrentía superficial. Puesto que para dimensionar hidráulicamente las estructuras se debe tomar en cuenta los gastos pico de los cursos de agua. A B Divisoria de hoya Curvas de nivel Una gota de lluvia caída en A no correrá hacia el curso de agua. 3. La parte del escurrimiento formada por la percolación participa más bien en la prolongación de las crecientes y la formación del caudal permanente de los ríos y. la parte que interesa para el diseño del drenaje vial es el escurrimiento superficial. la mayor parte del agua corre con bastante celeridad sobre la superficie del suelo. De todo este ciclo. a los lagos. que será diferente a la del mismo río en el Puente de los Leones (El Paraíso).2. 1. Coeficiente de compactibilidad. Dos cuencas con la misma área y diferente forma no se comportan igual. desde su nacimiento hasta su desembocadura.1. La forma de la cuenca determina principalmente la rata a la cual se suministra agua a la corriente principal a lo largo de su curso. También existe una divisoria subterránea o freática. se mide en hectáreas (has. Para hoyas de igual superficie. En las cuencas de gran tamaño se toman en cuenta las siguientes características: 5. proyectada sobre un plano horizontal.. Ello es debido a que si L es grande. También disminuirá la relación entre el caudal máximo producido y el área de la cuenca.2. Las cuencas grandes tienden a proveer un gasto mínimo más sostenido que las cuencas pequeñas. mayor será el volumen de precipitación interceptado por ella y las crecientes durarán más tiempo. Es el área de la superficie encerrada dentro de la línea divisoria.. 3. se mide en kilómetros cuadrados (km2) y si es de pequeñas dimensiones. Se define el coeficiente de compactibilidad Kc de una cuenca a la relación: Kc= P / C [III-2] donde Kc= coeficiente de compactibilidad. P= longitud de la línea divisoria de la cuenca (perímetro) y C = longitud de una circunferencia de radio R que encierra un área A igual a la de la cuenca C= 2 π R [III-3] . lo cual indica que se producirán mayores crecientes.) Cuanto mayor sea el área.1.2 Área de la cuenca. Esta no es fija sino que varía con la altura del nivel freático y puede o no coincidir con la divisoria de la cuenca. Factor de forma. Si el área es muy grande. Divisoria de hoya. la cual delimita el área que contribuye con agua subterránea a cada sistema fluvial. es menos probable que ocurra una lluvia intensa en toda el área. es decir que se producirán menos m3/ha en cuencas de mayor tamaño que en las de menor tamaño.3 Forma de la cuenca.14 Drenaje vial para ingenieros viales Figura III-1. Se define el factor de forma Fx como: Fx= A L2 [III-1] donde A es el área de la cuenca y L es la longitud axial medida desde la desembocadura hasta el punto más alejado de la cuenca. cuando L es pequeño. con la desembocadura en la parte más angosta. Fx es más grande.3. 3.2. La mayoría de las cuencas son de forma ovoide. 5. la superficie que se considera es la de la proyección horizontal de la misma.. esto es. lo que produce el mismo efecto que un factor de forma Fx grande. por la elevación natural del aire más caliente y ligero hasta zonas de aire más denso y frío. c) ciclónica. 3. Tipos de precipitación. 5.28 P / A [III-6] Como el perímetro generalmente es mayor que la circunferencia de radio R. medida a lo largo del mismo. Si Kc es pequeño. Un Kc grande significa que la cuenca es muy diferente a una circunferencia. Según las causas que producen la precipitación. También se suele tomar en cuenta la longitud y la pendiente media del cauce principal. Otras características a ser tomadas en cuenta son la elevación de la cuenca y las características de la red de drenaje natural. LA PRECIPITACIÓN.3. o sea que es alargada. es decir. Otra característica de las cuencas que se toma en cuenta es su pendiente media S. bajo ciertas circunstancias. definida como: S= D. b) frontal. que es igual a la diferencia de nivel entre sus extremos dividida por la longitud del cauce. líquida o sólida. esta puede ser: a) convectiva. se suele cumplir que Kc ≥ 1. formada por la elevación del aire húmedo y caliente que converge . la representada en los planos topográficos. se producirán grandes avenidas.L A [III-7] donde D es el intervalo entre las curvas de nivel. la causada por la presencia de un frente frío. El vapor de agua contenido en la atmósfera se condensa en nubes que.Drenaje vial para ingenieros viales 15 Llamando A [III-4] al área de la cuenca. 6.1. la cantidad total de agua meteórica. es decir. que cae sobre una superficie horizontal determinada. [III-5] Sustituyendo III-5 en III-1. producen la precipitación. Kc= 0. Se denomina altura de la precipitación a la altura de la lámina de agua que se acumularía sobre una superficie horizontal si todas las precipitaciones quedaran inmovilizadas sobre ella.1. En el caso de una cuenca.3.1. A= π R2 ⇒ R= C= 2 A/π A/π Sustituyendo III-4 en III-3. Otras características de las cuencas. L es la suma de las longitudes de las curvas de nivel contenidas por la cuenca y A es el área de la cuenca. 16 Drenaje vial para ingenieros viales en una zona de baja presión; d) orográfica, producida por la elevación mecánica de las nubes cuando su paso es impedido por una montaña. En la naturaleza, algunas de estas causas de lluvia pueden presentarse simultáneamente, lo que dificulta su identificación. 3.3.2 Medición. La precipitación se mide por la altura que alcanza la lámina de agua resultante. Dicha medición se efectúa mediante pluviómetros entre los que se pueden mencionar: el de cántaro, que recoge el agua que cae sobre él y solamente proporciona el volumen de la precipitación ocurrida entre dos mediciones; el de cubeta basculante, en el cual el peso de una pequeña cantidad de agua hace bascular una cubeta que activa un mecanismo y marca el hecho mediante una aguja, quedando registrado en un cilindro con papel el volumen y el tiempo y, por último, otros métodos, incluídos los basados en el radar. Multiplicando la altura de la precipitación por el área de la cuenca se obtendrá el volumen de la lluvia. 3.4. INTENSIDAD DE LA LLUVIA. Se llama intensidad de la lluvia al volumen de agua que se precipita en una unidad de tiempo. Se expresa generalmente como mm/hora, pulgadas/hora y litros/segundo/hectárea, según sea la utilización que se vaya a hacer de ella. La intensidad varía con el tiempo y con el tamaño de la hoya sobre la que cae la lluvia. Con respecto al tiempo, todos hemos observado que una lluvia normal (un “palo de agua” en un día cualquiera de Caracas) suele comenzar suavemente, arreciando hasta alcanzar su máxima intensidad unos minutos después. Al poco tiempo, comienza a disminuir su intensidad y, tal vez, permanece un largo rato lloviendo suavemente hasta que desaparece por completo. Si medimos el volumen de agua caída en los diez minutos que duró el pico de la precipitación y lo dividimos por ese tiempo, la intensidad resultante será mucho mayor que si medimos el volumen caído durante una hora completa y lo dividimos por el tiempo total. La gráfica de intensidad contra tiempo tiene una forma como la de la figura III-2. I % DE LLUVIA PUNTUAL 100% T 0% A Figura III-2: intensidad vs. tiempo. Figura III-3: porcentaje de la lluvia puntual vs. área. Drenaje vial para ingenieros viales 17 En cuanto a la influencia del área, las tormentas siempre presentan un núcleo de gran intensidad y de relativamente pequeña extensión. Si la cuenca es pequeña, es posible que ese núcleo cubra toda ella, mientras que, si es muy grande, quedarán grandes extensiones en que la intensidad haya sido más baja, resultando en promedio una intensidad menor. La figura III-3 muestra el comportamiento de la intensidad, expresada como un porcentaje de una lluvia puntual (la de mayor intensidad), contra el área de la cuenca. 6.1.1. Duración de la lluvia La duración de la lluvia es el tiempo transcurrido entre el comienzo y el final de la lluvia. Este final puede corresponder al tiempo total o al momento hasta el cual la lluvia es significativa para los efectos prácticos. 13.1 Frecuencia. Se llama frecuencia al número de veces que un evento es igualado o excedido en un intervalo de tiempo determinado o, lo que es lo mismo, la probabilidad de que ocurra ese evento en un periodo de tiempo dado. Se llama intervalo de recurrencia al inverso de la frecuencia, esto es, al máximo tiempo que transcurre entre dos eventos que igualan o sobrepasan un valor dado. Por ejemplo, si se espera que en un tiempo de diez años solamente se produzca una lluvia de 100 mm, el periodo de recurrencia de esta lluvia será de diez años. En hidrología se ha hecho habitual trastocar estos términos, usándose el uno en vez del otro, por lo que se debe estar consciente de que cuando se dice frecuencia, en realidad se está refiriendo al intervalo de recurrencia. Así, si nos referimos a una lluvia de 25 años de frecuencia, nos estamos refiriendo a que es probable que esa lluvia se produzca únicamente una vez cada veinticinco años. Tanto frecuencia como intervalo de recurrencia son términos probabilísticos, por lo que al calcular la frecuencia de un evento se debe tener en cuenta que no se quiere decir que él se va a repetir en ese tiempo fijo, sino que es probable que así sea. Por ejemplo, una lluvia de frecuencia de 50 años puede que caiga dos años seguidos, pero entonces la probabilidad es que no se vuelva a repetir en los próximos noventa y ocho años. Para estimar la frecuencia de la lluvia en un lugar se necesita tener los registros de las lluvias que ocurrieron en un número de años suficientemente extenso. A partir de estos datos y mediante métodos probabilísticos, tal como el de los valores extremos de Gumbel, se calculan las frecuencias de las lluvias que se necesiten en el diseño de un sistema de drenaje vial. En este trabajo no se entrará en los detalles de tales cálculos, pues se considera que el ingeniero vial trabajará con las curvas de intensidad-duración-frecuencia elaboradas por los especialistas, las cuales se encuentran en publicaciones especiales como las (6) y (7) o los manuales de drenaje usualmente utilizados (8), (9), (10), incluyéndose en el Anexo A una copia de las que aparecen en la ref. (8). En cualquier caso, si algún lector quisiera adentrarse en este terreno, puede recurrir a referencias como las (1), (2), (3), (4) y (5) o a tantos otros textos de 18 Drenaje vial para ingenieros viales hidrología para ingenieros que existen en el mercado. Esto implica que el proyectista debe estar consciente de cuándo necesita el apoyo de un profesional de la hidrología o la hidráulica que le ayude a resolver los problemas para los que el ingeniero vial no esté suficientemente preparado. 3.5. EVAPORACIÓN. La evaporación es el proceso físico por el que la materia pasa de estado líquido a gaseoso. En el ciclo hidrológico este proceso ocurre en la lluvia interceptada por la vegetación y en el almacenaje, así como a lo largo del escurrimiento y, por último, en los cursos de agua, lagos y mares. La evaporación se ve afectada por la temperatura ambiente, los vientos, la presión atmosférica y los sólidos que el agua pueda transportar en solución. Su medición se realiza mediante tinas de evaporación, que pueden ser enterradas, flotantes o superficiales. 3.6. INFILTRACIÓN. La infiltración o percolación es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior del mismo. La habilidad del suelo para conducir el agua depende de su naturaleza, su humedad (cuanto más seco, mayor conductividad), la cobertura vegetal, etc. La infiltración no es extrapolable de una cuenca a otra aunque ambas tengan suelos, pendientes y cobertura vegetal de características semejantes. La infiltración se mide mediante infiltrómetros, los cuales no dan resultados muy confiables, y mediante la comparación del volumen la lluvia caída con el de la evaporación y el escurrimiento producidos por ella. 11.2.2. ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL. Se llama escurrimiento a la parte de la precipitación que llega a los cursos de agua. Ciclo de escorrentía es el término empleado para designar la parte del ciclo hidrológico comprendido entre la precipitación incidente sobre áreas de terreno y la subsiguiente descarga de dicha agua por los cauces o la evaporación (4). El agua de las precipitaciones llega a los cursos de agua por cuatro caminos diferentes: a) precipitación directa sobre los cursos de agua; b) el flujo subterráneo intermedio; c) el flujo subterráneo profundo y d) el escurrimiento superficial. La precipitación directa sobre los cursos naturales de agua se puede considerar insignificante debido a su relativamente pequeña superficie. El flujo intermedio es la fracción de las aguas infiltradas que fluye lateralmente por las capas superficiales del suelo y es el que, al terminar el escurrimiento superficial, contribuye a mantener la creciente del curso de agua. El flujo subterráneo profundo afecta a los mantos acuíferos y desempeña un importante papel regulador. Contribuye también a mantener la creciente y, en la época de sequía, es el único que alimenta el escurrimiento proporcionando el gasto de estiaje. Por último, el escurrimiento superficial es el flujo de aquellas aguas meteóricas que han escapado de la infiltración, la evaporación y la evapotrans- Drenaje vial para ingenieros viales 19 piración y corren por gravedad, libremente sobre el suelo. Influyen en él: la altura de la precipitación, su intensidad, su duración, la distribución de la lluvia, la topografía del terreno, su naturaleza litológica, la cobertura vegetal, la humedad y la capacidad de retención de la cuenca. El escurrimiento superficial experimenta un retardo con respecto a la lluvia que lo genera. Ello es debido a que, antes de comenzar a escurrir, las primeras aguas son necesarias para mojar la cobertura vegetal (intercepción), llenar las irregularidades del terreno formando charcos (almacenaje) y saturar el suelo de humedad. También el flujo sufre un efecto de retardo en la red hidrográfica como consecuencia de la necesidad de llenar los cauces antes que empiece a correr normalmente el gasto por ellos. 6.1.1. Descripción del ciclo de escorrentía La descripción del ciclo de escurrimiento está tomada de la ref. (4). En la figura III-4 la superficie representa el volumen total de la precipitación y en ella se muestra cómo varían, a lo largo del tiempo, los aportes de una precipitación de intensidad moderada a las diferentes fases del ciclo del escurrimiento, describiéndose en las páginas subsiguientes todo el proceso. La parte sombreada representa la escorrentía, aquella parte de la precipitación que drena por un punto del cauce a la salida de la hoya. La zona rayada representa la infiltración. La zona blanca representa la evapotranspiración. Escorrentía 7 6 Infiltración Precipitación total Precipitación sobre cauces Escorrentía superficial 5 4 3 2 1 Humedad del suelo Tiempo Almacenamiento en depresiones Corriente subsuperficial Corriente subterránea 0 Intercepción t Figura III-4: Ciclo de escurrimiento. Fuente: Ref. (4) Para un tiempo cualquiera t, el segmento 0-1 representa la parte de la precipitación que es interceptada por la vegetación; el 1-2, la precipitación almacenada en las depresiones de la superficie; el 2-3, la humedad retenida por el suelo; el 3-4, la parte infiltrada que llega a la corriente subterránea; el 4-5, la corriente subsuperficial o intermedia; el 5-6, la escorrentía superficial y el 6-7, constante, la precipitación que cae sobre los cauces. El nivel 7 representa la 20 Drenaje vial para ingenieros viales intensidad en mm/t. Como se puede observar, las proporciones en que se distribuye la precipitación varían con el tiempo. La intercepción (0-1) es elevada al comienzo de la lluvia, especialmente con cubierta vegetal densa. La capacidad de intercepción disminuye rápidamente, limitándose a lo indispensable para reponer el agua evaporada. A medida que se van llenando las depresiones más pequeñas, el almacenamiento en las depresiones (1-2) disminuye rápidamente desde un valor inicial elevado y la velocidad con que tiende a desaparecer depende en gran manera de la pendiente del terreno. Aunque, según la figura, se supone que el almacenamiento es una pérdida total por evaporación, una parte de él pasa a formar parte del flujo intermedio y el profundo. A menos que la tormenta sea muy intensa, la mayor parte de la insuficiencia de humedad del suelo (2-3) se satisface antes de producirse el escurrimiento superficial. Ello no obstante, una fracción de la lluvia que cae después de haberse establecido el equilibrio de humedad también pasa a formar parte de la humedad del suelo en sustitución de la que va deslizándose lentamente hacia el flujo intermedio. El agua que se infiltra y no es retenida como humedad del suelo, o bien se infiltra profundamente llegando hasta la napa freática para formar las corrientes subterráneas profundas (3-4) o discurre hacia el cauce formando el flujo intermedio (4-5). La intensidad de la escorrentía superficial (5-6) comienza en cero, aumenta lentamente al principio y después con mayor rapidez, aproximándose al final a un porcentaje casi estable de la precipitación total. La precipitación que cae sobre los cursos de agua (6-7) permanece constante a todo lo largo del tiempo. 3.7.2. Medición del escurrimiento. En hidrología, aforar es medir la cantidad de agua que lleva una corriente en la unidad de tiempo. El escurrimiento se mide como un caudal o gasto producido en un curso de agua, A PERFIL en m3/s o l/s. Los métodos más utilizados son los vertederos, orificios, pendientes y el método sección-velocidad (figura III-5): V Q= V . A [I-8] A SECCIÓN A-A An, Vn A2, V2 A1, V1 Si se mide cuidadosamente la sección del cauce y, durante la creciente, se mide la altura y la velocidad del agua, se puede determinar los términos V y A, obteniendo, por consiguiente, el caudal Q. Figura III-5: Método sección-velocidad Drenaje vial para ingenieros viales 21 3.7.3. El hidrograma. Si, siguiendo uno de los métodos mencionados, se afora una corriente de agua a tiempos regulares, se puede representar el gasto de esa corriente mediante un gráfico de caudal (Q) contra tiempo (T), al cual se conoce como hidrograma. Q Gasto pico Gasto remanente Inicio de la lluvia T Figura III-6. Hidrograma típico de una creciente. Asignando T=0 al momento en que comienza la lluvia, el hidrograma de un curso de agua intermitente (no permanente), tiene una forma parecida a la mostrada en la figura III-6. Desgraciadamente, en Venezuela no son muy frecuentes las estaciones de aforos de ríos, por lo que no siempre se puede disponer del hidrograma de una creciente a partir de las mediciones en el campo. Por otra parte, la gran mayoría de los cursos de agua que se tratan en el drenaje vial son intermitentes, esto es, que solamente tienen gasto cuando llueve. Así pues, ha sido necesario desarrollar algunos métodos para obtener el hidrograma de un río a partir de las lluvias registradas en las estaciones pluviométricas, estas sí más abundantes que las estaciones de aforo. Este tema se tratará más adelante. 3.8. LA DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO. La determinación de los gastos de diseño es el primer problema y tal vez el más importante en el cálculo de las dimensiones de las obras hidráulicas, pues de poco servirá hacer un diseño perfecto, empleando las últimas tecnologías y refinamientos que estén al alcance del ingeniero, si el gasto de diseño empleado no es el que realmente se producirá en el lugar en que se va a construir la obra de drenaje: si el gasto calculado es demasiado pequeño, pueden producirse inundaciones o daños a la misma estructura y a otras aledañas, pero si el gasto calculado es muy grande, se incurrirá en gastos innecesarios que pueden hacer inaccesible la construcción de la obra. Así pues, la tarea de determinar el gasto de 22 Drenaje vial para ingenieros viales diseño de una estructura hidráulica debe ser realizada con la mayor aproximación posible. En el caso de ríos con gasto permanente de los cuales exista un registro histórico de aforos, para obtener el gasto de diseño se puede proceder mediante métodos estadísticos, tal como el de los valores extremos de Gumbel. Sin embargo, en el caso del drenaje superficial esta no es la situación normal, por lo que se debe establecer el gasto de diseño a partir de los registros de lluvias disponibles. Para efectos prácticos, los ingenieros viales, a quienes está dirigido este trabajo, podrán recurrir a las curvas de intensidad-duración-frecuencia que proporcionan las publicaciones existentes, siempre que el tamaño de la cuenca a drenar no sea muy grande. En el caso en que haya que deducir dichas curvas a partir de los datos de las estaciones pluviométricas o que sean corrientes de agua que ameriten estructuras de gran tamaño, es recomendable que se recurra a los ingenieros hidráulicos o hidrólogos, según sea el caso. El método usado con más frecuencia para el drenaje de pequeñas cuencas es el de la fórmula racional, el cual sirve para calcular un caudal instantáneo. Cuando las cuencas son de mayor tamaño, se pueden emplear los hidrogramas sintéticos, tales como el triangular y el de Clark, y en el caso de áreas urbanas, métodos como el del sumidero y el de las áreas equivalentes. Todos ellos serán descritos más adelante. se recomienda no utilizarla en superficies superiores a las 200 has (8). el área se mide mediante un planímetro. Sin embargo. (9).64 . Aunque la fórmula racional se basa en unas asunciones que no son todo lo racionales que parece indicar su nombre. P . (M3)1/4 [IV-1] donde A es el área del tubo de alcantarilla necesario en ese sitio. I es la intensidad de la lluvia. Su expresión es la siguiente: Q= C . para el proyecto de los drenajes se utilizaron fórmulas empíricas como la de Talbot y la de Jarvis-Myers (35): Talbot: A= 0.Drenaje vial para ingenieros viales 23 CAPÍTULO IV LA FÓRMULA RACIONAL Hasta tiempos tan cercanos como 1958. que permitirá una mayor o menor infiltración según sea su naturaleza. Su origen no está muy claro. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA El coeficiente de escorrentía expresa la parte de la precipitación que llega al curso de agua principal en forma de escorrentía superficial. Para la aplicación de la fórmula racional. Jarvis-Myers: Q= 17.2. es la más utilizada actualmente por ser de muy fácil aplicación y resultar consistentes las unidades de sus componentes. A [IV-3] donde Q es el gasto en l/s. M el área de la cuenca y C un coeficiente.183 . Generalmente. ÁREA DE LA CUENCA. que favorecerá la intercepción cuanto más . M0. C . es conveniente que se limite su aplicación a áreas inferiores a las 20 ha. pero en caso de no disponer de este instrumento. en Inglaterra se la ha nombrado como el método Lloyd-Davis. Como se ve. desde hace algunos años. Originalmente se aceptaba su uso en cuencas de hasta 500 has pero. I . se puede descomponerla en figuras geométricas. adimensional. expresada en l/s/ha y A es el área de la cuenca. Su valor depende de a) la permeabilidad del suelo. En los Estados Unidos se empleó para el cálculo de los drenajes de Rochester entre 1877 y 1888. descrito en una publicación de 1906.5 [IV-2] donde Q es el gasto total. 4. El área de la cuenca es la encerrada por la línea divisoria de la misma. Debido a que la fórmula racional no tiene en cuenta el efecto de almacenamiento de la cuenca. b) la cobertura vegetal. ella solamente puede ser utilizada satisfactoriamente en cuencas de pequeño tamaño. C es un coeficiente de escorrentía.1. midiendo las dimensiones de las mismas mediante un escalímetro y calculando sus áreas por separado. el área se debe expresar en hectáreas. 4. se considera al tamaño del tubo y el gasto como función del área de la cuenca y de un coeficiente que depende de las características de la hoya. en has. P un coeficiente y M el área de la cuenca. suelos de alto contenido arenoso. Medias: cuando las pendientes están entre el 20% y el 5%. La cobertura vegetal se determina por medio de fotografías aéreas. Semipermeables: arenas limosas. Suaves: cuando están comprendidas entre el 5% y el 1%. arenas arcillosas.2. Cultivos. según sus características. gravas finas con alto contenido arcilloso. Hierba corta y grama. Para determinar el coeficiente de escorrentía de una .2. Topografía. Pastos o vegetación ligera. 4. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA El valor de los coeficientes de escorrentía correspondientes a las diferentes combinaciones de permeabilidad.24 Drenaje vial para ingenieros viales frondosa sea y c) la topografía del terreno que. Cobertura vegetal. arenas. Bosques y vegetación densa.3. Altas: cuando las pendientes están comprendidas entre el 50% y el 20%. Permeables: gravas. Para efectos de la aplicación de la fórmula racional han sido establecidos cinco grupos: Ninguna vegetación. por inspección directa o mediante el uso de mapas. permitirá mayor o menor almacenamiento del agua y su acceso más o menos rápido a los cursos naturales.1. En la referencia (10) se muestran fotografías correspondientes a estas diferentes categorías de forma de poder guiarse en el momento de clasificar la cobertura vegetal de una zona.2. turba. Permeabilidad del suelo. La pendiente superficial de las laderas se puede determinar a partir de los planos topográficos disponibles o a partir de la observación directa. 4. los suelos han sido clasificados en tres categorías: Impermeables: las rocas. En la figura IV-1 se muestra un ejemplo de la subdivisión de una hoya para calcular su coeficiente C. muestreo u observación directa.3. arcillas. Han sido establecidas cinco categorías de pendiente: Pronunciadas: cuando la pendiente promedio supera el 50%. La permeabilidad del suelo se determina mediante estudios geológicos. cobertura vegetal y topografía vienen dados en las tablas IV-1 y IV-2 de las siguientes páginas. limos arcillosos. 4.2. 4. Despreciables: cuando son menores al 1%. Para efectos de la aplicación de la fórmula racional. 45 0. GRAMA Semiperm.60 0.85 a 0.30 0.65 0.10 SUAVE DESPRECIABLE 1% 0.30 0.65 0.50 0.45 0.95 TIPO DE TERRENO Caminos de grava Jardines y zonas verdes Praderas C 0.85 0.55 0.15 0.55 0.40 0.15 0.50 0.55 0.95 0.20 .25 PENDIENTE DEL TERRENO PRONUNCIADA 50% 0.30 0.25 0.10 0.40 0.70 0. Permeable Imperm.35 0.20 ALTA MEDIA 20% 0.60 0.40 0.55 0. DENSA VEGETACIÓN Semiperm. CULTIVOS Semiperm.50 0.45 0. BOSQUES.05 VALORES DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA C PARA ZONAS URBANAS TIPO DE TERRENO Tejados y azoteas Patios Pavimentos C 0.20 0.25 0.30 0. es TABLA IV-1 COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA C SEGÚN EL MANUAL DE DRENAJE Fuente: ref.40 0.70 0.50 0.40 0.30 0. HIERBA.65 0.55 0.35 0. Permeable Imperm.25 0. Permeable 0.45 0.25 0.60 0. VEGETACIÓN LIGERA Semiperm.20 0.55 0.60 0.45 0.50 0.30 0.75 0.40 0.50 0.70 0.50 0. Permeable Imperm.60 0. Permeable Imperm.35 0.30 0. PASTOS.40 0.50 0.15 5% 0.60 0.50 0.35 0.35 0. (10) COBERTURA VEGETAL TIPO DE SUELO Imperm.35 0.45 0.Drenaje vial para ingenieros viales 25 cuenca de área A.20 0.65 0.35 0.30 0.55 0.40 0. se dividirá esta en zonas homogéneas en lo que se refiere a su coeficiente de escorrentía.45 0. SIN VEGETACIÓN Semiperm.80 0.45 0. se debe expresar en l / s / ha.18-0.35 0.15 0.60 0.60-0.13-0.70-0.70-0. Pend.15-0.30 0.26 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA IV-2 COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA SEGÚN INOS y ASCE Fuente: ref.10 0. decir.25-0. para la aplicación de la fórmula racional.40-0.25-0.95 0.75 0.95 0. vegetal)1 ⇒ C2 (Impermeabilidad)1 (Topografía)1 A3⇒ (Cobert.50-0.35 TIPO DE SUPERFICIE SUELOS ARENOSOS SUELOS PESADOS VÍAS GRAVA PAVIMENTOS TECHOS Y AZOTEAS Pend. El coeficiente de escorrentía de toda la cuenca se calculará como el promedio ponderado de los coeficientes de cada una de las zonas consideradas: C= (ΣCi . (8) USO DE LA TIERRA COMERCIAL Centro de la ciudad Alrededores Unifamiliar Multifamiliar separado 0.10-0.85 0. Se medirá las áreas parciales Ai de cada una de ellas y se les aplicará los coeficientes Ci obtenidos de las tablas. Ai) / A [IV-4] 4.4. su permeabilidad. cementerios Parques para juegos A1 A3 A2 (Topografía)1 A1⇒ (Cobert.22 0.50 0.60-0.70 0.80 0. INTENSIDAD DE LA LLUVIA Como ya se dijo. Pend.20 0. llana (2%) mediana (7%) inclinada (>7%) llana (2%) mediana (7%) inclinada (>7%) 0.25 0. .70-095 RESIDENCIAL Multifam. el tiempo de duración de la lluvia (igual al tiempo de concentración) y la situación geográfica de la cuenca.90 0.20-0.30-0. Pend.17 0.50-0.05-0. vegetal)1 ⇒ C3 (Impermeabilidad)1 C= (C1 A1 + C2 A2 + C3A3) / A Figura IV-1: coeficiente de escorrentía de una cuenca con tres tipos de características diferentes. Agrupados Suburbana ------------------------Asfalto o concreto Ladrillos ------------------------ INDUSTRIAL OTROS Liviana Pesada Parques.10-0. Pend. la intensidad de la lluvia es el volumen de agua que se precipita en la unidad de tiempo que. En su determinación intervienen la frecuencia de diseño.70-0. cobertura vegetal y topografía. vegetal)1 ⇒ C1 (Impermeabilidad)1 (Topografía)1 A2⇒ (Cobert. Pend.40 0. lo que lleva a proyectar una estructura de mayor tamaño. no pasará de un “palo de agua” del que hay que protegerse bajo un toldo. Puede ocurrir que el colapso de una obra de drenaje de bajo costo pueda producir inconvenientes graves al tránsito que circula por una vía. el gasto de diseño dependerá de la frecuencia seleccionada para su obtención. se obtiene un gasto mayor. en una calle ciega. a la protección estructural o primaria. llegue a interrumpir el tránsito en alguna vía durante largo rato. La probabilidad de lluvias que puedan producir una tragedia como la de 1999 en el estado Vargas puede corresponder a una frecuencia de tal vez quinientos años (se puede producir cada quinientos años) o más. donde el volumen de tránsito es mucho menor. las cuales se muestran en las siguientes tablas. En las referencias (8) y (10) se establecen las frecuencias que se debe adoptar para el diseño de las obras de drenaje más frecuentes.1. pues su costo de reposición es muy alto (protección estructural). En consecuencia. el máximo tiempo que transcurre entre dos eventos que igualan o sobrepasan un valor dado. la máxima que probablemente caerá en un periodo de dos años.Drenaje vial para ingenieros viales 27 4. es decir. Frecuencia de diseño. una lluvia de frecuencia de dos años. pues los daños sufridos por la interrupción del tránsito son mucho más costosos en la autopista. por ejemplo. una alcantarilla en una autopista debe calcularse con una frecuencia mayor que una alcantarilla en una carretera vecinal. sino la máxima intensidad de la lluvia que probablemente caiga durante el periodo de diseño. que se dirige a proteger la integridad física de las estructuras y. con muy poco tránsito. la selección de la frecuencia es un acto de ingeniería que reviste bastante importancia. funcional o complementaria. tal vez se pueda adoptar una frecuencia menor a la especificada. que está destinada a garantizar el funcionamiento satisfactorio de las vías de comunicación. La protección que brinda el drenaje vial está dirigida en dos direcciones: una. Los valores mostrados en estas tablas se refieren a casos generales. La intensidad de la lluvia crece conforme crece su frecuencia. Así. Por ello. que en la carretera vecinal. otra. La frecuencia de diseño se elige según el grado de protección que se desee brindar a una estructura o una vía. En efecto. se deseará mayor protección. En el proceso del diseño del drenaje vial no se busca el tiempo que transcurre entre dos lluvias de intensidad conocida. caiga una lluvia de mayor intensidad que. se pueden adoptar frecuencias diferentes a las mostradas: por ejemplo. En las tablas IV3 a IV-6 se muestran las frecuencias usuales en el drenaje vial. ya que los daños . cada vez aumenta la posibilidad de que caiga una lluvia mayor. Así pues. que se pueden reponer fácilmente en caso de colapso: al aumentar la frecuencia. por lo que se deberá prever una frecuencia elevada si se quiere evitar estos inconvenientes (protección funcional). Así pues. donde circula un alto volumen de tránsito. En situaciones particulares. Si se debe construir una estructura muy costosa. tal como un puente. Es posible que cada diez años (frecuencia de diez años). para una cuenca dada.4. esto es. se elegirá una frecuencia mayor que para una alcantarilla o una cuneta. Se llamará frecuencia al que en realidad es el intervalo de recurrencia. si seguimos aumentando la frecuencia. O. URBANAS Y AVENIDAS RURALES CARRETERAS TIPO A y B TIPO C y D Pontones Alcantarillas de sección transversal > 4.00 m2 50 50 50 25 50 25 25 10 25 25 15 10 NOTA: los puentes deben ser objeto de estudio especial. pero se recomienda que en ningún caso la frecuencia de diseño sea menor de 50 años.00 m del ancho de la calzada . (10) FRECUENCIA DE DISEÑO (años) TIPO DE OBRA DE DRENAJE AUTOPISTAS AUT.P. TABLA IV-3 FRECUENCIAS DE DISEÑO SEGÚN EL MANUAL DE DRENAJES DEL M. Fuente: ref. CARRETERAS AyB 10 25 50 50 50 25 10 15 25 50 50 CyD 10 25 25 - Drenaje hacia y por las cunetas en zona de corte Borde superior de la cuneta Borde superior del hombrillo Inunda 1.00 m2 Alcantarillas de sección transversal < 4. TABLA IV-4: LÍMITE DE INUNDACIÓN PERMISIBLE Y FRECUENCIAS EN ZONAS RURALES Fuente: ref.28 Drenaje vial para ingenieros viales pueden ser de poca importancia. mientras que en una avenida de mucha importancia puede aumentarse la frecuencia para brindar mayor protección.50 m de la calzada Cuneta de protección de terraplenes Brocales de protección de terraplenes Drenajes hacia la ventana de la isla central Borde superior de la cuneta El agua llega al tope del brocal o inunda un canal de circulación Inunda 1. (10) FRECUENCIA DE LA LLUVIA CARACTERÍSTICAS DEL DRENAJE LÍMITE DE LA ZONA INUNDABLE (ancho de la vía en el que se permitirá la inundación) DE DISEÑO AUTOP. 50 m del ancho de la calzada bajos y depresiones más el ancho de la cuneta Ventanas en la isla central 1. 1.Drenaje vial para ingenieros viales 29 Sumideros colocados en puntos bajos y depresiones Inund. 1. cunetas LÍMITE DE LA ZONA INUNDABLE 1. TABLA IV-6 PERIODOS DE RETORNO DEL GASTO DE PROYECTO (AÑOS) Fuente: Ref.00 m del ancho de la calzada NOTA: El drenaje superficial de las vías en zonas urbanas debe ser coordinado con las autoridades competentes de la localidad. (8) OBRA DE DRENAJE TIPO DE VÍA VÍAS FÉRREAS VÍAS EXPRESAS MÁS DE 2 CANALES 2 CANALES --25 25 25 10 ----50 10 10 10 5 5 CAMINOS Viaductos Puentes Pontones Alcantarillas Q>20 m3/s Alcantarillas Q<20 m3/s Canales interviales Bateas Drenaje transversal (Función básica) 100 100 100 100 50 50 50 50 50 50 25 25 25 25 25 25 25 --------básica) 100 10 10 50 --25 10 10 5 --5 25 5 5 5 5 5 Protección contra socavación (Función Fundaciones de puentes 100 100 Descargas de alcantarillas 25 25 Terraplenes 50 25 Diques marginales 100 50 Drenaje longitudinal (Función complementaria) Canales revestidos adyacentes a vía 25 10 10 Canales revestidos paralelos a la vía 10 10 10 .50 m del ancho de la calzada 50 - - TABLA IV-5 LÍMITE DE INUNDACIÓN PERMISIBLE Y FRECUENCIAS EN VÍAS DE ZONAS URBANAS Fuente: ref. (10) CARACTERÍSTICAS DEL DRENAJE Brocales.50 m del ancho de la calzada más el ancho de la cuneta FRECUENCIA DE LA LLUVIA DE DISEÑO (años) VÍAS EXPRESAS 15 50 15 AVENIDAS 10 25 10 CALLES 10 15 - Sumideros ubicados en ptos. si no lo fueran. medida en metros a lo largo del cauce. L en Km y H en m. la cual es como sigue: tc= (0. y H es la diferencia de nivel entre dichos puntos. se emplea un tiempo teórico calculado mediante fórmulas deducidas experimentalmente.4. Para estimar el tiempo de escurrimiento por las laderas. se puede utilizar las velocidades de escurrimiento que se muestran en la ref. Tiempo de concentración. esto es. El Manual de Drenajes (10) da la ecuación del California Culvert Practice. 4.0195 (L3/H)0. Otra ecuación bastante utilizada en cuencas de mayor tamaño es la desarrollada por el Bureau of Reclamation de los EEUU. por pequeño que este sea. El tiempo de concentración es el que dura el viaje de una gota de agua desde el punto más alejado de la cuenca hasta la sección en consideración. el que el agua demora en escurrirse por las laderas hasta el primer curso de agua. la más empleada en el país: tc= 0. en minutos.385 donde tc viene expresado en horas. las cuales han sido transcritas en la tabla IV-7. también en metros. [IV-4] TABLA IV-7 VELOCIDADES DE ESCURRIMIENTO POR LAS LADERAS (m/min.30 Drenaje vial para ingenieros viales Canales revestidos de grama Zanjas no revestidas Sumideros en la isla central Drenaje de puntos bajos Pasos inferiores en distribuidores ------25 --- 10 --25 25 25 ------25 25 ------10 --- --5 --10 --- Es responsabilidad del ingeniero decidir si estos valores son apropiados en los casos que le toque resolver y.2.385 [IV-3] donde tc es el tiempo de concentración. teniendo como base de partida las tablas aquí mostradas. Una forma algo más confiable de calcular el tiempo de concentración tc es sumando el tiempo de escurrimiento superficial. adoptar la frecuencia más conveniente en cada caso.886 L3 / H)0. [IV-5] tc= tcs + tv donde tcs es el tiempo de escurrimiento superficial por las laderas y tv es el tiempo de viaje por los cursos de agua.) Fuente: ref. L es la distancia entre la sección en consideración y el punto más alejado de la cuenca. con el tiempo que tarda en viajar por ese cauce hasta la sección en que se está calculando el gasto. (10) PENDIENTE DE LAS LADERAS % COBERTURA VEGETAL Vegetación densa o cultivos Pastos o vegetación ligera Ninguna vegetación . (10). Como no hay manera de medir este tiempo para cada cuenca. la duración de la lluvia se toma igual al tiempo de concentración de la cuenca. obtenida como la diferencia de cota de las curvas de nivel superior e inferior. el tiempo que teóricamente . dividida por la longitud L..Drenaje vial para ingenieros viales 31 0-5 5 . (8) N° 1 2 3 4 5 6 COBERTURA VEGETAL Bosque húmedo tropical Cultivos terraceados.0195 (L / S )0. calculada como la diferencia de nivel entre sus extremos H (medida en metros).3.10 10 . 4. M es un coeficiente que depende de la cobertura vegetal. (8): Vs = M .15 15 . cuyos valores se dan en la tabla IV-8 y S es la pendiente media de la ladera. pastos altos. Como se dijo anteriormente.4.77 [IV-6] donde L es la longitud del cauce medida a lo largo del cauce (en metros) y S= H/L es su pendiente. pastizales cortos Cultivos en hilera Ninguna vegetación Pavimento o cárcavas incipientes M 50 100 140 180 200 400 El tiempo de viaje tv se puede calcular utilizando la ecuación de Kirpich: tv= 0. en m/min. barbecho Potreros.20 25 50 60 70 40 70 90 110 70 120 150 180 Otra forma de calcular el tiempo de escurrimiento tcs es usando la ecuación [IV-5] mostrada en la ref. Para efectos de la aplicación de la fórmula racional. la duración de la lluvia se mide desde su comienzo hasta el momento en que ella que ella deja de ser significativa. dividida por la distancia entre ellas medida según una normal. TABLA IV-8 VALORES DEL COEFICIENTE M Fuente: ref. Con esta velocidad se puede calcular el término tcs. esto es. Duración de la lluvia. S [IV-6] donde Vs es la velocidad de escurrimiento por las laderas. A continuación se mostrará por qué esto es así (3). Área 2 20 30 21+30 31 22+31 32 23+32 33 24+33 . A la misma se le han dibujado arbitrariamente las isocronas a intervalos de un minuto. B A BALANCE DE LA LÁMINA DE AGUA Tiempo (min. toda la cuenca estará contribuyendo y. se supondrá que la intensidad de la lluvia es de 1 mm por minuto que. como la de la figura IV-2. Para comenzar.) t0= 0 t´= 1-δ t1= 1 t”= 2-δ t2= 2 t = 3-δ t3= 3 t = -δ t4= 4 . iv iii Contenido de agua Área 1 10 20 11 +20 21+30 12+21+30 22+31 13+22+31 23+32 14+23+32 . en .. Área 3 Área 2 C Área 1 Isocrona 2 min Isocrona 1 min.. En este tiempo... Área 3 30 0 31 0 32 0 33 0 34 . aunque siguiera lloviendo con la misma intensidad.. Supongamos una cuenca de área A. Isocrona 3 min. Figura IV-2: Cuenca con tiempo de concentración 3 min.. la cual tiene un tiempo de concentración de tres minutos... Para simplificar el problema. se definirán las isocronas como las curvas que unen los puntos de una cuenca cuyos tiempos de concentración son iguales. el gasto no aumentaría.32 Drenaje vial para ingenieros viales dura el viaje de una gota de agua desde el punto más alejado de la cuenca hasta el sitio en consideración. 4. 10 minutos. la que cayó en el área 2 pasó por B y la que cayó en el área 3 pasó por C. y áreas mixtas. el agua 11+20 habrá pasado por A y al área 1 habrá llegado el agua 21+30. 20 y 30 respectivamente. En el tiempo t3. un instante infinitesimal δ antes de t=1 min. En 1 estará el agua 12+21+30. En el tiempo t1= 1 min. en el área 2 estará el agua 31 y en el área 3 no habrá agua. por lo que resulta inútil tomar duraciones de lluvia superiores al tiempo de concentración de la cuenca. Si la duración de la lluvia es menor que el tiempo de concentración tc (por ejemplo. cae la cuarta lámina de 1 mm. por lo que el gasto en A es menor que con la lluvia de los tres minutos de duración. 4. 12+21+30 habrá pasado por A y en 1 estará 22+31. Curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF). Como se dijo anteriormente. con lo que en 1 estará el agua 13+22+31. Este proceso se puede repetir hasta el infinito.4. . Es por ello que al proyectista se le presenta la intensidad I mediante varias curvas llamadas de intensidad-duración-frecuencia (IDF). por lo que en 1 está el agua 20. pero por la sección A no pasará más agua que 1i+2i-1+3i-2. en 2 estará 32 y en 3 no habrá agua. En el tiempo t0 cae la primera lámina de 1 mm. En el tiempo t3-δ. por lo que en 1 estará el agua 11+20. en 2 estará y en 3 estará 33. puesto que el tiempo de viaje entre cada isocrona es de 1 min. un instante antes de t= 2 min. en 2 estará el agua 22+31 y en 3 estará el agua 32 recién caída. cae la segunda lámina de 1 mm. la intensidad es mayor. lo más conveniente es obtener las curvas correspondientes a ella usando el método de Gumbel. En la misma figura aparece una tabla donde se resume lo aquí descrito. según ya se dijo. de 1 min). correspondiendo cada una de ellas a una frecuencia diferente. En el tiempo t2= 2 min. en 2 está el agua 30 y en 3 no queda agua. como se ha visto.Drenaje vial para ingenieros viales 33 lugar de caer a lo largo del tiempo correspondiente. es decir con pavimento y zona verde. como su intensidad disminuye. en ese momento. en cada área estará el agua 10. no aumenta el gasto en la sección A y. cae como una lámina instantánea de un milímetro de espesor cada minuto. el gasto disminuirá conforme aumenta el tiempo. Si se dispone de la información de una estación pluviométrica próxima a la cuenca en cuestión. Únicamente contribuye toda la hoya cuando la duración de la lluvia llega al tiempo de concentración. la intensidad de la lluvia disminuye conforme aumenta la duración de la lluvia y disminuye la frecuencia de diseño. Si indicamos con un número el volumen que cayó en cada sub-área en el tiempo que indica el subíndice. cae la tercera lámina de 1 mm. Si la lluvia es de mayor duración. Para áreas pavimentadas mayores de 2 has. el tiempo mínimo de duración para áreas pavimentadas menores de 2 has. En el tiempo t1-δ. En el tiempo t2-δ. será de 5 minutos. el agua que cayó en el área 1 pasó por A. en 2 estará el agua 21+30 y en 3 estará el agua 31. pero mientras dura no está contribuyendo toda la cuenca. Dada la dificultad de establecer el tiempo de concentración en las zonas urbanas. Luis Franceschi publicó en la ref. (7). (9). I (l/s(ha) F= 50 años F= 25 años F= 15 años Idiseño T (min. En el Anexo A. (10).) tc 5 min. se toma un tiempo de concentración mínimo de 5 min. si el calculista no tiene la práctica suficiente.5. Figura IV-3: esquema de curvas de intensidad-duración-frecuencia. (8). Determinación de la intensidad de la lluvia. Para obtener la intensidad correspondiente a una región. Para ello. se han incluido las curvas que el Prof. al final de este trabajo. es recomendable contar con la colaboración de un ingeniero hidrometeorólogo o hidráulico. (8). se entra desde el eje de las abscisas en la duración de la lluvia previamente determinada y.34 Drenaje vial para ingenieros viales En el caso de no disponerse de esta información y si la cuenca no es de gran tamaño. Debido a que la curva de la intensidad es asintótica al eje de las ordenadas. Estas son envolventes calculadas a partir de la información suministrada por las estaciones meteorológicas que existen en una región bastante extensa.4. se intersecta la curva de la frecuencia seleccionada. se puede utilizar las curvas mostradas en la bibliografía citada anteriormente. En la figura IV-3 de la siguiente página se muestra un ejemplo de las curvas descritas. se elige las curvas IDF correspondientes a esa región. por lo que no tienen la precisión de la curva específica para una estación determinada próxima a la cuenca en estudio. se puede usar las curvas IDF regionales que brinda la bibliografía existente (6). En el caso en que no se disponga de esa información y siempre que las cuencas sean de pequeño tamaño. con una recta vertical. lo cual produciría para tiempos cercanos a cero intensidades cercanas a infinito. frecuencia y duración de la lluvia determinada. se lleva una recta horizontal hasta intersectar el eje de las . desde allá. 4. La obtención de las curvas IDF mediante la información proveniente de alguna estación pluviométrica próxima dará una mayor precisión a la determinación de los gastos de diseño. sufre el flujo en los canales. La denominación de racional debería implicar que ella no fuera empírica. la frecuencia de la escorrentía será una combinación de las frecuencias de la lluvia y del coeficiente C y el resultado sería correcto únicamente si la frecuencia de C fuera de un año.5. También es empírica la determinación del tiempo de concentración al cual se iguala la duración de la lluvia.Drenaje vial para ingenieros viales 35 ordenadas. pero no tiene en cuenta el retardo que. por lo que el tiempo de salida es mucho mayor que el que demoró en entrar. debido al efecto de almacenamiento en los cauces. Como se vio. Pero esto no se produce todo el tiempo y es de suponer que sea más probable que ello ocurra en largas temporadas de lluvia con grandes precipitaciones. Se vierten 10 lts. Si en una tubería se vierten diez litros de agua en un segundo. después. de agua en 1 seg. En efecto. demorará un tiempo en vaciarse. Otro factor que la fórmula racional no tiene en cuenta es la frecuencia del coeficiente de escorrentía. ya que esa es la duración mínima de la lluvia a utilizar. sino que primero deberá llenar el tubo para que se establezca el flujo y. es decir. aunque el volumen total que salga sea igual que el de entrada. DISCUSIÓN DE LA FÓRMULA RACIONAL A esta fórmula se la conoce como “racional” únicamente por la coherencia de dimensiones que presentan los datos que en ella intervienen. que todos los . pero esto no es así. Figura IV-4: efecto de almacenamiento en un canal. la fórmula racional toma en cuenta el tiempo de viaje de la escorrentía. Como consecuencia. C varía con el grado de humedad del suelo y se supone que adoptará el valor asignado en las tablas únicamente cuando el suelo esté totalmente saturado. donde se leerá el valor de I en l/s/ha. el gasto de salida Qs es menor que el de entrada Qe. el gasto de entrada será Qe= (Volumen)/(Tiempo)= 10 l/s. pues la determinación del coeficiente de escorrentía C es completamente empírica. al utilizar el tiempo de concentración tc. En pequeñas cuencas de no más de 20 has puede despreciarse este efecto. 4. asumiendo la diferencia de gasto como un factor de seguridad. La salida demora mucho más de 1 seg. Este efecto de almacenamiento se puede ilustrar mediante la figura IV-4. Las curvas se hacen horizontales a partir de los 5 min. Este agua no saldrá instantáneamente por el otro extremo. ya que el tiempo es mucho mayor. En consecuencia. pues el valor del gasto calculado corresponde a una lluvia instantánea y localizada en un punto. Debido a todas estas observaciones es que se recomienda que la fórmula racional se utilice únicamente en cuencas de pequeño tamaño.36 Drenaje vial para ingenieros viales años se alcance el valor asignado en las tablas. . La fórmula racional tampoco tiene en cuenta la disminución de la intensidad de la lluvia con el aumento del área de la cuenca. 1. el volumen de la lluvia que conforma el escurrimiento superficial. tal como se puede ver en la figura V-1. Como ya se dijo. los hidrogramas resultantes se llaman naturales y su forma dependerá de las características fisiográficas de la cuenca y las de la lluvia que produce la creciente. Entre los muchos métodos disponibles. la escorrentía y la cuenca. Desgraciadamente. los hidrogramas son gráficos de escorrentía contra tiempo. será posible establecer. Si disponemos de los registros correspondientes a un lapso suficientemente largo. el gasto máximo probable para una cierta frecuencia y diseñar la estructura adecuada. se describirá el hidrograma triangular y el unitario de C. la precipitación neta. que solamente llevan agua cuando llueve. Lo aquí expuesto se considerará aplicable a cuencas en las cuales se puede aceptar algunas simplificaciones que resultarían inconvenientes en el estudio de cuencas de mayor tamaño. el área A de la cuenca y el tiempo de concentración tc. aparte de que hay pocos ríos aforados. . El resultado es un hidrograma triangular que describe el comportamiento de una creciente. Si se dispone de los aforos de un curso de agua.Drenaje vial para ingenieros viales 37 CAPÍTULO V LOS HIDROGRAMAS Puesto que el propósito de este trabajo es describir el diseño hidráulico del drenaje vial menor. expresado por su altura Q. no es frecuente disponer de esos aforos pues. es decir. esto es. O. Clark. pues únicamente se debe conocer duración D de la lluvia. Para poder calcular los gastos pico de las corrientes se han desarrollado los llamados hidrogramas sintéticos. EL HIDROGRAMA TRIANGULAR El hidrograma triangular es el de obtención más sencilla. 5. como el de Gumbel. gran parte de los cursos de agua que intercepta una carretera son de tipo intermitente. obtenidos a partir de los datos disponibles de la lluvia. se está excluyendo el estudio de cuencas de gran tamaño. mediante métodos estadísticos. en horas. En hoyas pequeñas se puede utilizar Q= QTOTAL X C (coeficiente de escorrentía). Tb= longitud de la base en tiempo del hidrograma. en horas. A = área de la cuenca. en km2. demora del pico de la creciente medida desde el centro de la duración de la lluvia.67 Tb= 2. Q / Tp [V-1] [V-2] [V-3] [V-4] Tp= tiempo que transcurre desde el comienzo de la lluvia hasta que se produce el gasto máximo. en m3/s.191 A . qp= gasto pico. en horas. D = duración de la lluvia. en horas. evapotranspiración. la resultante de restar al volumen total de la precipitación la parte correspondiente a la intercepción. Q= altura de la precipitación neta. (11) Los elementos se calculan de la siguiente manera: Tp= D/2 + TL TL= tc /1. .67 Tp qp= 0. en mm. Fuente: ref. almacenaje e infiltración.38 Drenaje vial para ingenieros viales q Precipitación neta D/2 Q TL qp D Tp Tb Tr T Figura V-1: Dimensiones del hidrograma triangular. es decir. tc = tiempo de concentración. en horas. TL = retraso. Q Hidrograma A+B Hidrograma B Hidrograma A t T Figura V-3: suma de hidrogramas desplazados un tiempo T . Si por uno de ellos llega la creciente con cierto retardo T con respecto del otro. el hidrograma resultante de la confluencia será la suma de las ordenadas de los hidrogramas afluentes (figura V2). pero esta Q Hidrograma A+B Hidrograma A Hidrograma B t Figura V-2: suma de hidrogramas simultáneos. SUMA DE HIDROGRAMAS Si por cada uno de dos cursos de agua que confluyen en un punto llegan al mismo tiempo crecientes con hidrogramas diferentes.2.Drenaje vial para ingenieros viales 39 5. el hidrograma resultante también será la suma de ambos hidrogramas. vez desplazando las abscisas del segundo con respecto al primero un tiempo igual al retardo con que haya llegado a la confluencia (figura V-3). 5. . todas las gotas que caigan sobre una de ellas demoran el mismo tiempo en llegar hasta una cierta sección del cauce. Para obtener un plano de curvas isócronas se procede de la siguiente manera (figura V4): Isocrona t4 Divisoria de hoya Isocrona t3 Cursos de agua Isocrona t2 Isocrona t1 Sección en la que se desea calcular el gasto Figura V-4: plano de isócronas. La distancia entre las isócronas. LAS ISÓCRONAS Las isócronas son curvas trazadas sobre un plano de forma tal que. es aproximadamente la misma y corresponde al espacio recorrido por la escorrentía en el intervalo tu seleccionado.4. Para cada tiempo de concentración habrá una isócrona y suelen ser trazadas a intervalos fijos predeterminados. se supone que la velocidad del agua a lo largo de todos los cauces de la cuenca es uniforme. Para ello. se podrá deducir el hidrograma unitario del mismo dividiendo el valor de cada ordenada por la altura de la lámina que lo produjo. Si se conoce el hidrograma natural de un curso de agua cuya forma presente un solo gasto pico. teóricamente. medida a lo largo de los cauces. Se llama intervalo al tiempo de viaje entre dos isócronas. EL HIDROGRAMA UNITARIO Cuando el hidrograma se calcula con una lámina de agua de 1 mm de altura se le llama hidrograma unitario.3. Este hidrograma unitario servirá para calcular el hidrograma correspondiente a cualquier lluvia simplemente multiplicando sus ordenadas por la altura de la lámina de una nueva lluvia.40 Drenaje vial para ingenieros viales 5. se podrá dividir en siete isócronas con intervalo de 3 min. Dividiendo el tiempo de concentración por ese intervalo. debidamente desplazados en el tiempo. para un tiempo de concentración de 21 min.3). se obtendrá la separación que. b) Se determina el intervalo tu que separará a las isócronas de forma que. se mide el área total de la cuenca y la de las sub-áreas determinadas por cada dos curvas consecutivas (columna 2).5. La precipitación caída en cada una de las áreas comprendidas entre dos isócronas consecutivas generará un hidrograma y la suma de todos ellos. el tiempo de concentración tc resulte ser múltiplo del mismo.3. obteniéndose así las isócronas. A continuación se describirá el procedimiento para desarrollar el hidrograma unitario sintético de C. C1 y C2 son coeficientes cuyos valores se calculan como: .1. Por ejemplo. c) Dividiendo la longitud del cauce principal por el número de isócronas. Clark. se aplica al histograma así obtenido el método de Muskingum. tiempo. generará el hidrograma de toda la cuenca. e) A partir de cada una de estas marcas del cauce principal y con la misma abertura del compás. 5. Una vez trazadas las isócronas. Histograma de % de área vs. d) Mediante un compás de punta seca.Drenaje vial para ingenieros viales 41 a) Se calcula el tiempo tc de concentración de la cuenca. 5.2. Para tener en cuenta el efecto almacenador de la hoya se supone que el caudal va a transitar por un embalse que estuviese ubicado en la sección para la que se desea calcular el hidrograma. se marcará el paso de las isócronas por cada uno de los cursos de agua afluentes. Se calcula el porcentaje que cada una de estas sub-áreas representa con respecto al área total y se obtiene el histograma de porcentaje de área contra tiempo (col.5. EL HIDROGRAMA UNITARIO SINTÉTICO. debe haber entre ellas. este tiempo corresponde al que demora en llegar una gota de agua que cae en el extremo más alejado a la sección en consideración. se marca sobre el cauce principal los lugares por donde pasará cada una de las isócronas.5. O. Como es sabido. I1= ídem para t1. 5. sabremos el número de isócronas que deberemos dibujar. en lo posible. f) Finalmente. CLARK. I2= gasto afluente al embalse en el tiempo t2. el cual se ilustra con el ejemplo desarrollado en el punto 5. MÉTODO DE C. Las columnas que se citan en el texto corresponden a la tabla V-2. C0. Según este método: O2= C0 I2 + C1 I1 + C2 O1 [V-5] donde O2= caudal efluente del embalse en el tiempo t2. se unen los puntos de los cauces con el mismo tiempo de concentración. medida a lo largo de este cauce. O1= ídem para t1. llamado así por haberse desarrollado para la cuenca del río del mismo nombre.5. El número mínimo de intervalos es cuatro.O. Para tener en cuenta el efecto almacenador de la cuenca. Tránsito según método de Muskingum. entonces.42 Drenaje vial para ingenieros viales C0= C1= Δt − 2KX 2K(1− X ) + Δt [V-6] [V-7] [V-8] Δt + 2 KX 2 K (1 − X ) + Δt 2 K (1 − X ) − Δt C2= 2 K (1 − X ) + Δt donde Δt = tiempo entre gastos O e I consecutivos. el coeficiente X= 0 y. X= coeficiente. K= constante de almacenamiento que es proporcional al tiempo de concentración tc y puede ser obtenido de la figura V-5 o calculado como: K= tc / 0. Fuente: ref. En este caso. C1 y C2 se calculan como: C0 = C1= 0.6 [V-9] Figura V-5: constante K de Muskingum. El efecto de almacenamiento de una cuenca se supone igual al tránsito de un río a través de un embalse. C0.5 Ti / (K + 0.5 Ti) / (K + 0.5 Ti) Donde Ti= tiempo entre isócronas [V-10] [V-11] . (8) La ecuación [V-5] describe el almacenamiento producido por el tránsito de un gasto por el cauce de un río o canal.5 Ti) C2 = (K – 0. Ii = Ii+1 y la ecuación [V-5] se puede escribir como: O2= 2 C1 I + C2 O1 [V-13] donde I= I1= I2 es la ordenada del histograma de porcentaje de área.0. 4). 5. 7). se llevan de porcentaje de área a metros cúbicos por segundo por milímetro de precipitación (m3/seg. cuando t1=0. K y EU se calcularon como sigue: De la figura V-5. 5). se calculan las ordenadas correspondientes a las isócronas como el promedio de las ordenadas contiguas (col. para el río Tuy en Tazón (2). .278 5. El caudal efluente O2 es la nueva ordenada del histograma expresada en porcentaje del área.O.8 C0= C1= 0.38 ≅ 13 horas.5.5 x 1 / (4. Ejemplo resuelto.3. Los coeficientes C. O1= 0 (col.3. K= 4.8 + 0.38 mm Área = 1. En las demás iteraciones se toma O1 igual al O2 de la anterior iteración (col. A continuación se mostrará el cálculo del hidrograma unitario sintético según el método de C. Se tomó Ti= 1 hora. como todo lo hasta aquí descrito se refiere a un histograma.5 x 1)= 0.8 + 0.5 x 1)= 0.1.5 x 1) / (4. Clark.5. La información básica es la siguiente: Cota extremo superior= 800 m Cota extremo inferior = 320 m Diferencia de cotas H = 480 m Longitud del cauce = 77 Km 2 Lluvia de duración 1h = 2. se supone O1= 0.886 x 773 / 480)0. Tránsito según Muskingum.2.180 km 5. ya descrita.811 EU= 1180 x 10 / 3600= 3.8 .094 C2= (4. lo que las convierte en unitarias: Área de la cuenca (km2) x 10 [V-14] EU= Ti (tiempo entre isócronas.385= 13. Cálculo del hidrograma unitario./mm) multiplicando las ordenadas O2 por el término EU. En la primera iteración. Se debe cumplir que C0 + C1 + C2= 1 [V-12] Como lo que se está manejando es un histograma.5.3.5.Drenaje vial para ingenieros viales 43 K = constante de almacenamiento. lo que arroja 13 isócronas (figura V-7).3.3. Isócronas Aplicando la ecuación del Bureau of Reclamation. el tiempo de concentración es tc= (0. cuyos resultados se muestran en la tabla y las figuras al final del capítulo. Una vez obtenidas las ordenadas O2. en segundos) Para terminar. 5. Para comenzar. para encontrar las ordenadas correspondientes a los tiempos múltiplos de tu. se puede trabajar también con las curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF) de que se disponga. Se aplica de nuevo la ecuación [V-13]. 5) por EU para encontrar las ordenadas del histograma unitario en m3/s/mm (col.60 (col. es conveniente que busque la asesoría de un especialista. las áreas parciales en la columna 2 y los porcentajes del área total que ellas representan en la columna 3. 5. Para ello. también.44 Drenaje vial para ingenieros viales Se anotó previamente en la tabla V-2 el número de isócrona en la columna 1. el hidrograma resultante será. 5. al hidrograma unitario de Clark previamente calculado se le aplica la lámina de lluvia producida por una tormenta de diseño (figura v-8). lo que arroja un primer valor de O2= 0. En el caso de grandes cuencas. 4).4. se encuentra el promedio entre ordenadas consecutivas del histograma.. y se trabajará con el excedente de lluvia. La duración de un hidrograma es igual a la de la lluvia que lo origina. como en la mayor parte de los casos el ingeniero vial solamente se deberá enfrentar a cuencas de pequeño tamaño. Por fin. APLICACIÓN DEL HIDROGRAMA UNITARIO DE C. Así. sumándose luego los hidrogramas resultantes desplazados en un tiempo igual a la duración de cada uno de ellos. Se inicia el cálculo aplicando la ecuación [V-13] con I= 0. Duración de un hidrograma. Para ello. En el caso en que la lluvia no sea uniforme a lo largo del tiempo. se multiplica el histograma transitado (col. de 10 minutos de duración. 7). CLARK Para obtener el hidrograma producido por una cierta lluvia en una cuenca determinada. Sin embargo. por lo que. esta vez con todos sus términos y el nuevo O2 se anota en la columna 5.6. Una vez terminado este proceso. Para aplicar este método se debe manejar con cierta soltura los datos pluviométricos. Multiplicando cada una de las ordenadas del hidrograma unitario por la lámina del excedente de lluvia se obtendrá el hidrograma de duración igual a la de la lluvia empleada. A esta lámina se le debe descontar las pérdidas por almacenamiento. no resulta necesario trabajar con esas duraciones. etc. se calculan varios hidrogramas a los que se aplica independientemente cada una de las láminas al hidrograma. infiltración. si la lluvia es de 10 minutos de duración. Sin embargo. se debe trabajar con lluvias de gran duración. expresado en m3/s/mm (col.5.11 (col. al aplicarla al hidrograma unitario. el cual vendrá medido en milímetros de altura de la lámina. se hace (O1)2= (O2)1= 0. anotándolo en la columna 4. a partir de la cual se puede determinar la lluvia de diseño correspondiente a la frecuencia que se haya elegido para el diseño. habrá que aplicar al mismo hidrograma precipitaciones de diferentes alturas pero de la misma duración: en ese caso. Para el segundo cálculo. 5). como el alcance del drenaje superficial solamente considera hoyas de pequeño tamaño. si el calculista no tiene la práctica suficiente. a veces de varias horas. O. cuyo resultado corresponde al hidrograma unitario.11. 6). se procederá de la siguiente manera: . evaporación. se debe contar con información de alguna estación pluviométrica cercana. 3) y O1= 0 (col. . que el tiempo total de concentración es tc= 40 min. lo cual implica cuatro áreas efectivas.000 375 175 95 75 Supongamos. En la tabla VI-1 se muestra un ejemplo calculado.000 387. (l/ha) 7 I áreas efectivas (l/s/ha) 1 2 3 4 tu 2 tu 3 tu 4 tu 10 20 30 40 375 275 215 180 225.000 432.000 105. se obtiene el volumen correspondiente a cada intervalo tu empleado. 3tu. Multiplicando las intensidades por esas duraciones. Figura V-6: curvas IDF empleadas en el ejemplo.000 330. etc.000 45. Restando dos volúmenes consecutivos.000 Volumen total: 432.Drenaje vial para ingenieros viales 45 Se saca de las curvas IDF las intensidades de lluvia correspondientes a las duraciones tu. 1 N° Área efectiva 2 tU 3 tC (min) 4 I (l/s/ha) 5 Vol. Supongamos que las curvas IDF de la figura VI-6 son las que corresponden a la región donde se va a calcular la lluvia y que la frecuencia elegida es de 10 años. TABLA V-1 OBTENCIÓN DE LAS ALTURAS DE LAS LÁMINAS DE PRECIPITACIÓN A PARTIR DE LAS CURVAS IDF. y que se adopta tu= 10 min. 2tu. se obtendrán los volúmenes de precipitación en cada intervalo tu. también.000 57.000 225. 2tu. (l/ha) 6 ΔVol. etc. buscando a lo largo de los cauces puntos que tengan igual tiempo de concentración mediante la aplicación de la ecuación IV-5. 4 x 60). Aunque destinado fundamentalmente para ser aplicado en áreas urbanas.2. Si se aplican estas intensidades a cada tu y se suman los resultados. Para ello. tal como se describirá en el próximo capítulo. 5= col. puede ser aplicado en casos en los que resulte difícil aplicar el método de C. MÉTODO DE LAS ÁREAS EFECTIVAS Este método.2. correspondiente al múltiplo de tu del borde aguas arriba de cada una de ellas. Clark. El volumen expresado en l/ha será: Vol.) x 10 (tu= 10 min. . 6 / [tu (min. 2. En el caso de que el área así determinada resulte excesiva. Se hallan los volúmenes correspondientes a cada área efectiva como las diferencias entre los volúmenes de l/ha contiguos y se anotan en la columna 6. (l/ha)= I (l/s/ha) x 60 (s/min. tal como se describió en el capítulo IV. O. en el cual se basa. 11. Se subdivide la hoya en áreas efectivas mediante isocronas. se puede subdividir mediante líneas sensiblemente normales a ellas. o estimando la velocidad del agua en los cauces.46 Drenaje vial para ingenieros viales En la columna 3 se anotaron el tiempo de concentración en minutos de cada área efectiva. se buscan en las curvas IDF para F= 10 años las intensidades en l/s/ha correspondientes y se anotan en la columna 4.). se procede de la siguiente manera: 1. desarrollado por J. 3 x col. El volumen de la precipitación se determinará de la misma manera que para el Hidrograma unitario de C. Con estos tiempos. el cual se anota en la columna 5 (col.Puerto la Cruz en el año 1975. J.) x 60 (s/min.)]}. O. Clark. se encontrará que el volumen total no varió. Estos volúmenes se llevan a intensidades dividiéndolos por tu expresado en segundos y se anotan en la columna 7: Col 7= {col. En el extremo superior de la hoya puede resultar un área cuyo tiempo de concentración resulte menor al intervalo tu. Bolinaga para ser empleado en el proyecto de drenajes de Barcelona . 11 0.6 0 0. Fuente: Ref.Drenaje vial para ingenieros viales 47 Figura V-7: Hoya del río Tuy en Tazón.O. m3/s/mm 0 7 1 0. UN. CLARK (1) Ti (h) (2) AREAS Km2 (3) % AREA (4) O1 (%A) (5) 02 (%A) (6) ORDENADAS m3/s/mm (7) HIDROG.36 0 2.46 . (2) TABLA V-2 CÁLCULO DE HIDROGRAMA UNITARIO SINTÉTICO SEGÚN EL MÉTODO DE C. 4 5.48 Drenaje vial para ingenieros viales 82 2 75 3 66 4 149 5 190 6 125 7 146 8 110 9 77 10 57 11 66 12 30 13 6.64 8.12 15 4.21 4.3 6.9 6.64 12.93 28.72 TABLA V-2 (Continuación) CÁLCULO DE HIDROGRAMA UNITARIO SINTÉTICO SEGÚN EL MÉTODO DE C.87 24.31 5.10 7.92 7.68 27. CLARK (1) Ti (h) (2) AREAS Km2 (3) % AREA (4) O1 (%A) (5) 02 (%A) (6) ORDENADAS m3/s/mm (7) HIDROG.15 3.65 8.39 2.16 28.37 17 2.60 8.35 27.94 4.14 20.91 26.60 22.6 12.52 8.39 2.52 8.24 7.56 6.12 4.16 22.54 7.54 7.20 6.11 1.33 11.73 16.37 2.65 8.72 24.05 10.68 18.5 4.6 2.01 25.77 6.5 9.7 16.10 7.72 2.33 2.92 7.60 8.6 12.31 1.94 4.77 6.64 15.60 12.68 23.15 16 3.O.24 7.33 2.78 15.64 9. UN.5 0.19 13. m3/s/mm .24 14 5.16 23.64 19.00 8.8.2 10.44 27.95 8. 5.20 6.80 24. 32 2.00 0.23 1.51 26 0.89 0.57 5.22 30 0.72 18 2.79 4.67 1.15 2.41 0.21 1.89 0.15 2.87 1.86 2.34 1.90 5.24 6.81 0.96 078 0.51 0.11 1.34 0.63 0.41 27 0.66 0.39 Q (m3/s/mm) 30 25 20 .35 4.18 22 0.33 3.87 3.21 19 1.51 1.54 0.18 0.15 7.49 0.51 3.18 0.80 1.56 2.96 23 078 24 0.22 0.07 1.34 28 0.44 0.Drenaje vial para ingenieros viales 49 2.27 29 0.18 31 0.63 25 0.72 0.80 20 1.46 21 1.46 1.27 0. 50 Drenaje vial para ingenieros viales . . tu-tc Qi Qi 2tu tu = tc tu+tc tu > tc 5. Sumándose todos ellos debidamente desplazados se obtendría el Hidrograma parcial correspondiente a esa sub-área. I . Se calcula el gasto generado por cada una de las áreas efectivas.tu en el tiempo. Si se empleara un patrón de lluvias como el descrito en el punto V-6. Con los gastos Qi se construyen los hidrogramas de cada una de las subáreas.tc y su altura Qi. con un coeficiente X igual a 0.Drenaje vial para ingenieros viales 51 3. Se suman los hidrogramas parciales desfasados n. tal como se ve en la figura V-9 . 7. empleando para ello el método de Muskingum mediante las ecuaciones V-5. Figura V-9 : hidrogramas parciales 6.3. Ai Donde Qi es el gasto en l/s. b) En el caso en que el tiempo de concentración de la subárea sea menor al intervalo (tc>tu). según su distancia al punto en que se va a calcular el gasto. aplicando para ello la fórmula racional: Qi= Ci . se plantearían tantos hidrogramas parciales como lluvias diferentes aplicadas. 4. a) En el caso en que el tiempo de concentración de la subárea sea igual al intervalo (tc= tu) el Hidrograma será un triángulo isósceles cuya base será 2tu y su altura Qi. V-6. todos ellos correspondientes a la subárea i. V-7 y V-8. se modifica el Hidrograma así obtenido para tener en cuenta el efecto de almacenamiento. obteniéndose el hidrograma total de la hoya. el Hidrograma será un trapecio cuya base mayor será tu + tc su base menor tu. Por último. Ci es el coeficiente de escorrentía y Ai es el área en has. . se dividirá dicha manzana mediante líneas rectas que formen bisectrices en los ángulos de la manzana y rectas que unan las intersecciones de dichas bisectrices entre sí. etc. onduladas y con cobertura vegetal y suelos naturales. 6. EL MÉTODO DEL SUMIDERO En el caso de zonas urbanas en las que no esté definida qué parte de la superficie de una manzana drena hacia una estructura. y. Esta situación ha conducido al desarrollo de métodos diferentes para estudiar la hidrología urbana y poder determinar los gastos de diseño de las hoyas urbanizadas.52 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO VI HIDROLOGÍA DE LAS ÁREAS URBANAS Los hidrogramas sintéticos descritos en el capítulo anterior son aplicables principalmente en hoyas rurales bien definidas. Entre ellos destacan dos que. Bolinaga I. etc. En una zona urbana. diámetros. el método de las áreas efectivas. llegando a albergar a un alto porcentaje de los habitantes de un país. desarrollado por Juan J. los factores hidrológicos influyen solamente en la concentración de la escorrentía en la superficie. suelos impermeabilizados por el pavimento. con cauces bien determinados. por su sencillez de aplicación. serán descritos en el presente capítulo: el primero es el método del sumidero. el segundo. (9). descrito en la ref. (5). para el proyecto de drenajes de BarcelonaPuerto la Cruz y descrito en la ref. cobertura vegetal casi extinguida en gran parte de su superficie. rugosidad. lo usual es que ellas sean el paradigma de la intervención humana: topografía modificada por el movimiento de tierra. ya que la parte que transcurre en las redes de tuberías se rige por principios hidráulicos dependientes de las características de las tuberías. desarrollado por la Universidad Johns Hopkins para la ciudad de Baltimore a partir de 1951. Aunque en las áreas urbanas puede haber cuencas que cumplan con las condiciones de las hoyas rurales. el proceso mundial de urbanización hace que cada vez las áreas urbanas sean de mayor extensión y más pobladas. tal como se puede apreciar en el esquema. sus pendientes.1. Desgraciadamente. de alguna manera.8 L/V T t Figura VI-1 Figura VI-2 Fuente: Ref. Ai 3 [VI-1] donde Qi es el gasto en ft /s que llega al sumidero i cuya hoya es de área Ai. (5) .1. Expresando la intensidad I5 en l/s/ha y el área Ai en hectáreas. Ci .1. de resultados comparables y de mucha mayor sencillez. al transitar por las tuberías de la red de drenaje. con el tiempo que demora en producirse el gasto pico a partir del momento en que el agua empieza a llegar al sumidero. sufre el gasto pico de la hoya de un sumidero calculado mediante la fórmula racional. en acres.Drenaje vial para ingenieros viales 53 Mediante este método se puede estimar la atenuación del gasto pico proveniente de un sumidero y la prolongación de la base de tiempo del hidrograma correspondiente. en minutos. Está relacionado. Este tiempo T es el que transcurre desde el comienzo hasta el final de la lluvia intensa y no es fácil de determinar. Se ha encontrado una fuerte correlación entre el gasto pico que se produce en un sumidero y la máxima intensidad de lluvia de 5 min de duración. exponer el procedimiento simplificado. expresada en inch/h. 6. Se describirá.035 . el procedimiento completo para. I5 . Q Qi Q Q0 t T T T+0. Ai (has) [VI-2] Con este gasto se construye un hidrograma (figura VI-1) consistente en un triángulo isósceles cuya base es el tiempo 2T. con un coeficiente de escorrentía Ci y una lluvia I5 correspondiente a la duración mínima de 5 min. El gasto pico en un sumidero se calcula mediante la fórmula racional: Qi= Ci . Procedimiento Mediante este método se encuentra la amortiguación que. siendo T el tiempo. I5 (l/s/ha) . después. en primer término. el gasto en ft3/s viene dado por la ecuación Qi (ft3/s)= 0. (5) La referencia (9) hace T= tc= tiempo de concentración y.8 L / V. Para ello. El gasto pico se amortigua por su tránsito a través de las tuberías y su valor se calcula mediante la ecuación [VI-3]: Q0= Qi 2T L 2T + 0. Así. lo que interesa determinar es el hidrograma en un punto de la red de drenaje situado aguas abajo del sumidero. en m/seg. obteniéndose el correspondiente al lugar en que se está calculando el gasto (figura VI-3). . finalmente. Fuente: ref. en metros y V= velocidad media del flujo.8 V [VI-3] Q Suma de los hidrogramas Triangulares 1.2 y 3 (Q0)2 (Q0)1 (Q0)3 t Figura VI-3: hidrograma total producto de la suma de los hidrogramas locales.8t v [VI-4] Se halla un hidrograma triangular para cada sumidero y. se suman los hidrogramas así modificados. se modifica la rama ascendente del hidrograma (figura VI-2) sumándole a T una cantidad igual a 0. como la fracción L/V es igual al tiempo de viaje por las tuberías. la ecuación [VI-3] se expresa como Q0= Qi 2t c 2t c + 0.54 Drenaje vial para ingenieros viales Sin embargo. L/V= tv. donde L= longitud del conducto desde el sumidero hasta el punto en que se desea encontrar el gasto. ocurridas en el transcurso de esos 5 minutos. Σ Qi [VI-5] donde Qt es el gasto máximo en el punto de diseño.3. Limitaciones del método simplificado El método simplificado del sumidero puede dar resultados satisfactorios para el cálculo de gastos en áreas urbanas siempre que se respeten los siguientes límites en su aplicación: a) El área a drenar debe ser del tipo urbano residencial con calles pavimentadas y sumideros y sistema de tuberías adecuados.1. En el procedimiento descrito se hace necesario plantear y sumar los hidrogramas transitados para cada sumidero. Ft es un factor de atenuación y Qi son los gastos individuales no amortiguados de los sumideros. Fuente: ref. Los valores del coeficiente adimensional Ci utilizado en esas ecuaciones se obtienen de la figura VI-4 en función de la intensidad I5 de la lluvia de duración 5 minutos. 6. intensidad de la lluvia de 5 min.Drenaje vial para ingenieros viales 55 6.2.4 I5 Figura VI-4: Curvas de coeficientes de escorrentía vs.2 has. expresada en pulgadas por hora. (5) proporción de superficie impermeable de cada sub-área. es decir. la Ci Impermeabilidad 0. . Los valores de Ci mayores de 1 se refieren a intensidades más altas que la correspondiente a la duración de 5 minutos.1. para diferente impermeabilidad. Procedimiento simplificado. y la impermeabilidad. En la figura VI-5 se da un gráfico para hallar los valores de Fi en función de la relación L / V y el tiempo T descrito en el punto anterior. calculados mediante las ecuaciones [VI-1] o [VI-2]. b) La sub-área correspondiente a un sumidero no debe superar las 1. mientras que en el procedimiento simplificado que aquí se describirá se usa la siguiente ecuación: Qt= Ft . i) La intensidad de la lluvia de 5 min. g) Los techos deben tener inclinación suficiente como para no retener una cantidad apreciable del agua.2 m. h) Las áreas permeables deben estar soportadas por estratos arcillosos del subsuelo. h) Figura VI-5: curvas de L/V vs. . Fuente: ref. 20. de duración debe ser de por lo menos 75 mm/hora (3 inch/hour). Fi para valores de T de 15. aproximadamente. (5).56 Drenaje vial para ingenieros viales c) El área total a drenar no debe superar las 256 has. f) Las pendientes de la red de tuberías deben estar entre el 2% y el 7%. d) La longitud de recorrido no debe ser mayor de 1.500 m y la velocidad del agua no mayor de 1. 25 y 30 minutos. e) Las zonas impermeables deben estar comprendidas entre el 30% y el 60%. 90 1.63 0.13 1.50 9.46 4.87 6.67 0.55 0.94 1.51 0.65 1.91 0. SIMPLIFICADO 1 SUBÁREA A B C D E F G H I J K L M N O P Q TOTAL 2 ÁREA has 0.50 0.55 0.38 0.92 130.50 0.33 .53 ft3/s= 3817 l/s Qt min: 121.51 0.10 5.79 1.62 0.53 16.50 0.53 0.4 % 8 T min 30 30 15 15 9 V m/s 1.20 1.62 0.74 4.50 3.58 0.50 0.46 11 Ft 0.93 12 Qt ft3/s 130.14 7 Li m 350 287 287 443 255 178 190 376 170 98 98 187 267 80 20 35 317 443 m= Lmax Qt max: 134.92 2.42 0.88 0.50 10.35 8.02 0.53 121.00 1.35 5 Ci 0.91 3.50 0.92 11.62 0.92 2.92 ft3/s= 3459 l/s DIF= 358 l/s ≈ 9.40 0.03 7.96 9.40 0.Drenaje vial para ingenieros viales 57 CROQUIS SIN ESCA LA Á rea a drenar A B C D Calles E F G H I J K L M D ivisoria de hoya Colector N O P Q Sum idero Punto en que se calculará el gasto Figura VI-6: área a ser drenada.08 0.49 0.85 0. m2/m2 0.83 0.62 0. TABLA VI-1 CÁLCULO DE Qt POR EL MÉTODO DEL SUMIDERO.93 0.98 7.17 0.42 8.30 0.45 6 Qi ft3/s 8.67 0.33 134.62 0.30 0.02 9.50 3.73 9.87 0.76 140.20 0.96 0.03 3 I5 l/s/h 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 450 4 Imperm.35 11.19 1.00 10 L/V min 4.40 0.00 7.45 0.25 0.61 0.76 0.63 0.30 0. En este ejemplo se utilizaron dos velocidades para cada tiempo T. correspondiente a la intensidad de la lluvia de duración 5 min.1. y se puede apreciar la influencia de este factor en el resultado final. Columna (1): Columna (2): Columna (3): Columna (4): Columna (5): Columna (6): Columna (7): Columna (8): Se escribe los nombres de las diferentes sub-áreas. Se llena con la intensidad I5. (9) se emplea t= tc. De los resultados obtenidos se puede apreciar que la diferencia entre los valores extremos. Se anotan las distancias Li en m que hay entre cada sumidero y el punto en el que se desea conocer el gasto y que debe recorrer el flujo a través de las tuberías. como el cálculo es muy sencillo. Ejemplo ilustrativo. empleando la ecuación [IV-2]. Se llena con la superficie Ai de cada sub-área. En la figura VI-6 se muestra un croquis de la zona urbanizada de 16. y la frecuencia de diseño seleccionada. obtenidos de la figura IV-4 de acuerdo con la intensidad I5 y la impermeabilidad de cada sub-área. En todo caso. {T=15 min y V= 5 pies/seg}. En la tabla VI-1 se muestran los cálculos efectuados. Este tiempo no es fácil de determinar. utilizando para ello la distancia entre el sumidero más alejado de la sección en que se está calculando el gasto y el tiempo T. es del 9% aproximadamente. Se escribe la proporción impermeable de cada sub-área. este puede ser una indicación de cual es el tiempo más conveniente. y V= 10 pies/seg} Vs. Se registra los coeficientes de escorrentía Ci.4. Columna (11): Se obtiene de la figura IV-5 los factores de amortiguación Ft para los diferentes valores de T y L/V. A continuación se describe el procedimiento de cálculo empleado.58 Drenaje vial para ingenieros viales 6.3 has para la que se quiere obtener el gasto de diseño en el punto marcado. se comienza el cálculo de la amortiguación del gasto pico. en m2 / m2. no cuesta mucho trabajo hacer los cálculos necesarios con varios valores de T para establecer la sensibilidad del resultado a los diferentes tiempos. . Puesto que en la ref. en has. A partir de esta columna. pudiéndose apreciar la variación de la amortiguación como consecuencia de las diferentes velocidades y tiempos T. Columna (10): Se calcula la relación L / V en minutos para la misma sub-área. En este ejemplo se emplearon los tiempos extremos de 15 y 30 min. Se calcula el gasto Qi (ft3/s) en cada sumidero. correspondiente a las condiciones extremas de {T= 30 min. Columna (12): Se anotan los valores de Qt calculados mediante la ecuación [IV-2]. Columna (9): Se anotan las velocidades V promedio estimadas del agua según las pendientes del terreno para la sub-área más alejada de la sección donde se está realizando el cálculo. asignándole al flujo una velocidad media de acuerdo con las características de pendiente del terreno y tipo de conducto que se piensa emplear. en el caso de canales. también. Este último puede ser calculado también con la longitud del conducto.4. Se debe recordar. El tiempo tcs se puede hallar mediante las figuras VI-7 y VI-8 de las siguientes páginas. ntu.2.O. Es una combinación de la aplicación de la fórmula racional. mediante líneas que. en el caso de tuberías. Puesto que está básicamente destinado al drenaje urbano. dado en la ecuación [V-5]: tc= tcs + tv Después de establecer la red de conductos (tuberías o canales abiertos) a través de los cuales se va a drenar el terreno.O.2. en el año 1975. Para calcular los gastos de cada área efectiva se utiliza la fórmula racional: Q= C .J. siguiendo los criterios que establece el I. I . A 6.2.. el área total se dividirá en sub-áreas.O. en primer lugar. determinen tiempos de concentración a intervalos iguales tu. para amortiguar sus gastos pico hasta llegar a la sección cuyo gasto se quiere averiguar. a manera de isocronas. pero también puede ser aplicado suponiendo que le flujo corra por canales abiertos. se considera que la escorrentía correrá por tuberías. . Clark. Bolinaga para ser empleado en el proyecto de drenajes de Barcelona-Puerto la Cruz. Tiempo de concentración. 6.N. En la figura VI-8 se puede encontrar tanto el tiempo de concentración superficial tcs como el tiempo de viaje tv. Así se obtendrán líneas cuyos tiempos de concentración serán tu. 3tu.S. la definición de tiempo de concentración tc.. señalar con flechas el sentido en que corren las aguas por la superficie del terreno.1. en minutos. . medidos a lo largo de las tuberías o canales. en sus “Normas de proyecto de alcantarillados” (13). EL MÉTODO DE LAS ÁREAS EFECTIVAS EN ÁREAS URBANAS Este método fue desarrollado por J. Con él se pretende eliminar las restricciones de área del método racional. De acuerdo principalmente con la topografía del terreno. 2tu. Es conveniente. o el de Muskingum con x=0. se procede a calcular el tiempo de concentración tc máximo de toda la hoya.Drenaje vial para ingenieros viales 59 7. sumado con el tiempo de concentración superficial tcs del área situada aguas arriba de ese extremo. Este será el tiempo de viaje tv correspondiente al extremo aguas arriba del conducto más largo. Las áreas efectivas así obtenidas deberán ser homogéneas. se calcula su gasto y se les aplica el método del sumidero. Determinación de la red de drenaje. de forma que los tiempos de concentración superficial tcs en toda su área sean iguales. así como considerar el efecto de almacenaje de las hoyas y la posibilidad de aplicar lluvias diferentes en el tiempo y el espacio. llamadas áreas efectivas.. que la fórmula racional no toma en cuenta. para así facilitar la determinación de las áreas efectivas (figura VI-10). Clark. Como en el método de C. se trazan sobre los planos de planta los conductos de drenaje necesarios. A continuación. el método del sumidero y el hidrograma unitario de C. es conveniente obtener las intensidades en l/s/ha. Estas líneas son aquellas en las que el tiempo de concentración superficial tcs más el tiempo de viaje tv a lo largo de los conductos son iguales. 6.60 Drenaje vial para ingenieros viales 6.. Subdivisión del área total en áreas efectivas.1. 2tu. 3tu.6. pues muchas de ellas coincidirán con las líneas divisorias de las áreas efectivas. si tc es bastante largo y se desea obtener resultados algo más elaborados. En el caso en que no se disponga de esa información. se puede aplicar dicha intensidad a toda el área a drenar o. estas líneas corresponderán a tiempos de concentración iguales a tu. se puede trabajar con las curvas de intensidad-duración-frecuencia regionales de que se disponga.. 6. determinarán las áreas efectivas.2. Las áreas efectivas estarán definidas por unas líneas similares a las isocronas de los hidrogramas. estas hoyas se determinan arbitrariamente según se explicó en el punto 6. a manera de isocronas. de igual tiempo de concentración. los cuales serán el intervalo entre las líneas que. Así. Puesto que se va a aplicar la fórmula racional. es decir. se puede obtener la intensidad según se describió en el punto 5. La figura VI-9 muestra un ejemplo de división de hoyas para una parte de una ciudad. Una vez obtenida la intensidad correspondiente a la duración total tc y la frecuencia que se haya adoptado. Determinación de las hoyas afluentes a los colectores Se debe trazar las líneas que delimitan las áreas contribuyentes a cada tramo de tubería proyectado. ntu.3. se procede a su análisis y la obtención de las curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF).. El procedimiento de trazado de dichas líneas es parecido también al de las isocronas.2..2. Determinación de la lluvia de diseño Si se dispone de datos de alguna estación pluviométrica cercana. El tc total se subdivide en espacios de tiempo tu.5. situación frecuente para el ingeniero vial.4. Como generalmente no se dispone de suficiente información topográfica y catastral como para poder determinar los linderos de cada propiedad y hacia donde drenan las aguas de la parte interior de las manzanas. medidos a lo largo de los conductos y generalmente no mayores a 15 o 20 minutos. En la figura VI-10 se muestran las áreas efectivas correspondientes a la ciudad mostrada en la figura VI-9: . la pendiente del terreno y el coeficiente C de escorrentía.Drenaje vial para ingenieros viales 61 Figura VI-7: Tiempo de concentración superficial en función de la distancia. (9) . Fuente: ref. (9) .62 Drenaje vial para ingenieros viales Figura VI-8: Ábaco para el cálculo de los tiempos de concentración superficial y de viaje. Fuente: ref. Drenaje vial para ingenieros viales 63 Figura VI-9: Plano de una ciudad en el que se han planteado ciertos colectores de drenaje y se ha demarcado sus hoyas afluentes. . . en el que se han marcado las áreas en que los tiempos de concentración tc medidos desde 1 son múltiplos de tu.64 Drenaje vial para ingenieros viales 3a 3b 4 2b 2a 3c 1 2c Figura VI-10: El mismo plano de la ciudad de la figura anterior. se calcula la distancia que recorrerá el flujo en el intervalo tu previamente adoptado. se amortigua su gasto pico mediante el método modificado del sumidero. por lo que el área efectiva así determinada tendrá un tiempo de concentración menor que el tu establecido. 3) A partir del punto en que se desea conocer el gasto se va llevando estas distancias a lo largo de los conductos con la ayuda un compás de puntas secas. tal como se muestra en la figura VI-11 de la siguiente página. Σ Qi . En el caso de las áreas situadas en el extremo superior de un colector que tengan un tiempo de concentración tc´ menor a tu. se calcula mediante la fórmula racional el gasto máximo aportado en el punto de salida de cada una de ellas. Este tendrá como base mayor una longitud de tu + tc y como base menor una longitud de tu – tc . Una vez obtenidos estos hidrogramas para cada área efectiva. marcando así su intersección con las “isocronas”. Con los gastos calculados se preparan hidrogramas triangulares. con forma de triángulos isósceles. se usará un hidrograma trapecial en lugar del triangular. 4) Uniendo estas intersecciones mediante una línea quebrada que siga las divisorias de hoya de cada tramo de tubería se obtendrá la línea que delimita el área efectiva. 6. cuyo gasto pico es el calculado mediante la fórmula racional y la base es igua a 2tu.Drenaje vial para ingenieros viales 65 1) Se establece la velocidad del flujo en los conductos según las características topográficas. Determinación del gasto de diseño Una vez definidos tanto las intensidades de las lluvias como las áreas efectivas.6. 2) De acuerdo con estas velocidades.2. aplicando la ecuación [VI-6]: Qt= Ft . 5) En el extremo superior de las tuberías puede quedar un tramo de conducto menor que el intervalo establecido para tu. tc tu Figura VI-12: Amortiguación del gasto y retardo del pico de la creciente por el efecto almacenador de la hoya.66 Drenaje vial para ingenieros viales Q Q Qi Qi t tu tu t tc tu tc Q Q Qa Qa tc + 0. Fuente: Ref. (9) .8 tv Qa tu .8 tv tv tc + 0. Fuente: Ref. (9) .Drenaje vial para ingenieros viales 67 Precipitación efectiva mm tu tu Hidrogramas amortiguados y desplazados tiempos múltiplos de tu 1 Qi 2 Tiempo Qa tu tu tu tiempo Qt tu tu tu tu tu tu tiempo Hidrogramas triangulares correspondientes a las lluvias 1 y 2. Suma de los hidrogramas tiempo Figura VI-13: suma de los hidrogramas de las áreas efectivas. obtenidos mediante la fórmula racional y desplazado el segundo un tiempo tu. construidos tal como lo descrito anteriormente. desplazados tu en el tiempo. se obtiene el hidrograma suma de los anteriores sumando las ordenadas que tengan tiempos iguales. los cuales resultarán múltiplos de tu. En el caso en que se aplicaran dos o más lluvias de duración tu. aparecerán tantos hidrogramas como lluvias aplicadas. Si se aplican dos o más lluvias de esa misma duración. . Finalmente se modifica su base según lo indicado en la figura VI-11. se desplazan los hidrogramas así obtenidos en tiempos iguales a sus tiempos de viaje (figura VI-12). se generarán igual número de hidrogramas para cada área efectiva. tal como se muestra en la figura VI-13.. que no tiene tiempo de viaje por estar inmediatamente aguas arriba del punto en que se desea encontrar el gasto. En el caso en que los colectores no fueran tuberías sino canales abiertos.68 Drenaje vial para ingenieros viales donde el término Fi se encuentra en la figura VI-5 y Qi son los gastos calculados mediante la fórmula racional. para amortiguar el pico del hidrograma se puede aplicar el método de Muskingum tal como se explicó en el capítulo anterior. Por último. A continuación. Si se aplicó unicamente una lluvia de duración tu. aparecerá un solo hidrograma para cada área efectiva. pero uno estará desplazado con respecto al otro un tiempo tu. excepto el primero. Drenaje vial para ingenieros viales 69 TERCERA PARTE HIDRÁULICA DE LOS CANALES . es evidente que resulta imprescindible tener un bagaje mínimo que permita al proyectista comprender los problemas involucrados en su trabajo y la lectura comprensiva de libros de texto que amplíen su horizonte teórico. Es una línea que en cada uno de sus puntos tiene la dirección del vector velocidad del flujo. Se dice que el flujo es permanente cuando.1. y en su extremo posterior por otro de área ΔA2. es decir. Es aquel en que el vector velocidad no cambia ni de magnitud ni de dirección a lo largo de una línea de corriente. Tipos de flujo • Línea de corriente. • Flujo uniforme.1. • Flujo permanente. limitándose el texto a las formas más sencillas de las ecuaciones. Es por ello que en este trabajo se incluye una parte que tiene como objetivo servir de repaso de los conceptos fundamentales de la hidráulica relacionados con el tema del drenaje vial. • Flujo no permanente. Tubo de corriente. nada tiene de raro que un ingeniero vial no se haya paseado por esa teoría desde sus tiempos de estudiante.1. • V1 Δ A1 Δ A2 V2 Figura VII-1: el tubo de corriente . el vector velocidad asociado con él no cambia ni de magnitud ni de dirección con el transcurso del tiempo. 7. Los programas de mecánica de los fluidos e hidráulica que se imparten en los estudios de pregrado parecen brindar estos conocimientos mínimos. 7. (17) y (18). DEFINICIONES. de área ΔA1. de los cuales recomendamos las ya clásicas referencias (14).70 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO VII ALGUNOS PRINCIPIOS DE HIDRAULICA Aunque el proyecto del drenaje vial menor no exija conocimientos hidráulicos profundos. Es aquel en que el vector velocidad en uno de sus puntos cambia de magnitud o dirección a lo largo del tiempo. es tangente a dicho vector. por lo que no debe vacilar en recurrir a cualquiera de los excelentes libros de texto que existen en el mercado. (16). • Flujo no uniforme. Las líneas de corriente contenidas en su contorno forman teóricamente las paredes de un tubo que no puede ser traspasado por ninguna línea de corriente interior a él . Es una parte del flujo determinada en su extremo anterior por un elemento transversal normal a las líneas de corriente. en un punto de la línea de corriente. Es de hacer notar que el ingeniero que pretenda proyectar y calcular las estructuras hidráulicas de las vías debe necesitar una mejor formación que la que aquí se brinda. Sin embargo. Es aquel en que el vector velocidad cambia de tamaño o dirección a lo largo de la línea de corriente. (15). a) Flujo ideal b) Flujo real Figura VII-2: flujo ideal y flujo real . • Energía cinética. Perímetro mojado. Energía Energía es la capacidad de un cuerpo para producir un trabajo. el volumen entre las secciones 1 y 2 será igual a A. Esta es la velocidad que se empleará en los cálculos a lo largo de este trabajo. 7. se considera un flujo ideal aquel que no tiene viscosidad. Es la relación entre el área y el perímetro: R= A / P= m 9. A= m2. ⇒ Q= A . Es la proveniente de la altura en que. P= m.2 El caudal o gasto El gasto Q es el volumen de fluido que pasa por una sección de un conducto en la unidad de tiempo.ds y el gasto [VII-1] Q= A . La velocidad media V es el valor medio de la velocidad del flujo en una sección del conducto.2. La energía hidráulica presenta tres formas diferentes: • Energía potencial. Es la longitud P mojada por el flujo en el contorno de una sección transversal del conducto. la distribución de la velocidad de un flujo en un canal sería rectangular. normal a su dirección. Área de la sección transversal. DISTRIBUCIÓN DE LAS VELOCIDADES EN UNA SECCIÓN Teóricamente. V 1 A ds 2 • • • • Velocidad media.Drenaje vial para ingenieros viales 71 7. ds / dt. • Energía de presión. Es la producida por la presión del fluido sobre su contorno o sobre otras láminas del mismo fluido. es decir. En una sección de área A. se encuentre el caudal y es equivalente a la necesaria para elevar el fluido desde el datum hasta esa altura.9. Es el área A de una sección transversal del flujo. V= m/s. Q= volumen / tiempo.2. tal como se muestra en la figura VII-2 a). Es la proveniente de la velocidad del flujo y una función de dicha velocidad. con relación a un origen o datum. Radio hidráulico. En esas condiciones. que no sufre de fricción con los borde sólidos de su contorno.1. “permanente y no uniforme” y “no permanente y no uniforme”. el régimen del flujo en un canal abierto puede ser: • • • • Permanente. 7.72 Drenaje vial para ingenieros viales Sin embargo. cuando la velocidad media. se ha considerado suficiente exponer la continuidad de un flujo en su forma más sencilla. CONTINUIDAD Para el empleo que se va a hacer de la hidráulica en este trabajo. en dos secciones consecutivas del mismo: Q1= Q2 ⇒ V1 A1= V2 A2 [VII-2] . en la naturaleza. tal como la mostrada en la figura VII-2 b). En un canal de sección constante. se deberá cumplir que. puede encontrarse flujos con régimen “permanente y uniforme”. el flujo será uniforme. se considerará siempre al flujo como “permanente y uniforme”. cuando en un mismo instante y en secciones distintas. en un mismo instante y en secciones diferentes a lo largo del mismo canal. Q= V. como consecuencia de la viscosidad del fluido. si la velocidad media en una sección es constante a lo largo del tiempo. Si la altura y no varía a lo largo del canal. VII-3 a)]. V1 A1= V2 A2 ⇒ si V1 = V2. por lo que la distribución de las velocidades es parabólica. En un conducto cualquiera. Según estas definiciones. En el mismo canal. Entre las simplificaciones que se harán para estudiar el drenaje superficial. será no permanente si la altura y varía con el tiempo. es constante. Por el contrario. la velocidad es diferente. No uniforme. A1 = A2 y y1 = y2. el flujo real sufre la resistencia producida por su fricción con el contorno sólido. TIPO DE FLUJO EN CANALES Tal como se describió para las líneas de corriente.3. Uniforme. el régimen del flujo podrá presentar las siguientes combinaciones: ⎧Uniforme ⎧Permanente ⎨ ⎪ ⎩No uniforme (variado) RÉGIMEN ⎨ ⎪ ⎧Uniforme (no existe en la realidad) ⎩No permanente ⎨ ⎩No uniforme (variado) Es decir que. 7. si la velocidad media en la sección varía a lo largo del tiempo. en el cual no hay salida ni entrada de fluido y suponiendo a este incompresible [fig. el flujo es permanente cuando la altura y del agua en una sección del mismo es constante. el flujo es uniforme cuando la altura del agua no varía a lo largo de su recorrido. entonces y también es constante. No permanente.4.A ⇒ si V es constante y A es constante. aunque en la realidad el flujo producido por las lluvias no lo es. La ecuación de Bernouilli o de la energía plantea este principio. Z= cota del punto en consideración. V es la velocidad media en la sección y g= aceleración de la gravedad. VII-4). Para un flujo ideal uniforme y permanente. α= aceleración de Coriolis. medida desde el datum. [VII-2b] 7. resultante de sumar . sino que se transforma.5. La línea total E muestra la energía disponible en cada punto. ECUACIÓN DE BERNOUILLI Debemos recordar que la energía no se destruye. el gasto Q3 (fig. aplicada a las secciones 1 y 2 de un canal (fig. sería: 1 V12/2g P1/γ Línea de energía 2 Δh V22/2g P2/γ Z1 Datum Z2 Figura VII-4: ecuación de Bernouilli. γ= peso específico del fluido. V-3 b). donde no existiría la pérdida Δh producida por la fricción con el contorno consecuencia de la viscosidad. P 1 γ + Z1 + α V1 P V = 2 + Z2 + α 2 2g γ 2g 2 2 donde P= presión hidrostática en un punto de la sección. VII-3 c) que pasa será igual a Q3= Q1 – Q2 Figura VII-3: continuidad en el flujo. se tendrá que Q3= Q1 + Q2 a) Flujo uniforme Q1 b) Flujo afluente Q1 Q2 Q3 Q2 c) Bifurcación Q1 Q3 Q2 [VII-2a] Si en un conducto de gasto Q1 se deriva un gasto Q2. la ecuación. Si a un conducto cuyo gasto es Q1 llega un gasto Q2 (fig.Drenaje vial para ingenieros viales 73 donde V es la velocidad media en una sección de área A. V2/2g la energía cinética y Z es la energía potencial. es Cuando la sección del canal es uniforme o presenta pocas variaciones de una a otra sección. la ecuación VII-4 se puede escribir como: 1 E= y + q2 2 gy 2 [VII-5] q y Esta ecuación permite representar la energía E en un canal rectangular como función de la b Figura VII-6: canal rectangular. este gasto será q= Q/b. A ⇒ V= Q / A Para el gasto unitario q. la ecuación de Bernouilli adquiere la forma siguiente: P 1 P V V + Z1 + 1 = 2 + Z2 + 2 + Δh γ 2g γ 2g 2 2 [VII-3] Todos los términos de esta ecuación son distancias que representan alturas. 1= y Figura VII-5: energía específica. V= q/y.6. se presentan pérdidas de energía por fricción. VII-6). con lo que Z= y y P/γ= 0 (fig. Si el gasto total es Q. como en la realidad el flujo no es ideal sino que es viscoso. 7. VII2g 5). Así pues. Así.74 Drenaje vial para ingenieros viales los tres tipos de energía en cada sección: P/γ es la energía de presión. entonces. para efectos prácticos. Q= V . Se define la energía específica E como la energía de dicho flujo medida tomando como datum el fondo del cauce y referida a un punto de la superficie V2 E= y + [VII-4] del flujo. E V2/2g y Datum Se llamará gasto unitario q de un canal rectangular de ancho b al que pasa por una parte de la sección transversal de ancho igual a la unidad (fig. representadas en la figura VII-4 por el término Δh. Aq= y . ENERGÍA ESPECÍFICA EN UN CANAL RECTANGULAR Sea un flujo de profundidad y que corre por un canal abierto con una velocidad media V. el coeficiente de Coriolis α se puede considerar igual a 1 y. . Consiguientemente. para cada valor de la energía E se encontrará dos valores de la profundidad y. tal como se muestra en la figura VII-8. Como la ecuación VII-5 es de segundo grado. por tanto. se producen dos alturas muy diferentes.A) y. disminuye la energía cinética. y1 y y2 llamadas conjugadas. . y cr yb E cr Figura VII-7: curva de la energía específica. aunque el ejemplo no es exacto.Drenaje vial para ingenieros viales 75 profundidad y para un gasto q unitario constante. En este ejemplo podemos ver que. Profundidades conjugadas. aumenta el área. esa parte de la energía cinética V22/2g pasa a ser potencial. E 1 2 V22/2g V12/2g y1 y2 Figura VII-8: alturas diferentes para igual energía. y q1 ya q2 La presencia de dos alturas diferentes para un solo valor de E con Q constante se puede comprender visualizando el resalto hidráulico que se forma aguas abajo de una compuerta. Si para un gasto unitario q1 constante vamos asignando valores a E. Llevándolos a un gráfico se representa la curva de la profundidad y contra la energía E que se muestra en la figura VII-7. Al aumentar la altura y. Para Q constante disminuye la velocidad (Q= V. para una energía aproximadamente igual y un gasto constante. pues en el resalto hay una pérdida de energía. para cada uno de ellos se encontrará dos valores ya y yb de la profundidad. podremos decir que ycr= 2 E 3 [VII-8] Si conocemos la energía en una sección rectangular. La velocidad media en condiciones de flujo crítico se llama velocidad crítica. que el flujo crítico se desplaza con la misma velocidad que dicha onda. las dos soluciones de la ecuación V-5 son iguales. En ese momento se dice que el flujo. LA VELOCIDAD CRÍTICA Cuando la energía E es mínima. podemos determinar la altura crítica que le corresponde o si. con q constante e igualando a 0: q2 dE =1– =0⇒ dy gy 3 ycr= 3 q2 g [VII-6] Despejando q2 en VII-6 y sustituyendo en VII-5. es decir. para una sección y gasto dados. son críticos. produce una velocidad crítica. conocemos la altura crítica (por ejemplo en una caída). .7. se llama pendiente crítica a aquella que. La energía mínima para un canal rectangular se obtiene derivando la ecuación VII-5 con respecto a y. lo que significa que la profundidad crítica representa tanto la energía mínima. De mismo modo. la velocidad y la profundidad. por el contrario.76 Drenaje vial para ingenieros viales 7. como la altura del caudal unitario q máximo que puede pasar por esa sección para una energía específica dada. derivando con respecto a y e igualando su valor a 0 se obtendrá el valor máximo de q: E= y + q2 dq 2 2 2 3 ⇒ q = 2gEy – 2gy ⇒ = 4gEy – 6gy2 ⇒ 4E – 6y= 0⇒ 2 gy 2 dy 2 [VII-7a] y= E 3 Se puede observar que esta ecuación [VII-7a]. Igualando la energía deducida en la ecuación [VII-7] con la energía específica: V 1 V 3 Emin= ycr= ycr + cr ⇒ ycr= cr ⇒ Vcr= 2 2g 2 2g 2 2 gy cr [VII-9] En hidrodinámica se demuestra que la celeridad C con que se desplaza la onda resultante de una perturbación al flujo es C=. es la misma que la [VII-7]. Así. podemos determinar la energía en esa sección. obtenemos la energía mínima para un canal rectangular: Emin= 3 ycr 2 [VII-7] Despejando q2 de VII-5. se dice que el flujo es supercrítico. con sus signos (figura VII-9b). Cuando ocurre una perturbación en un fluido en reposo. cuando la velocidad y la profundidad son críticas (V= Vcr y y= ycr). V V a) V= 0 b) F<1 c) F>1 Figura VII-9: desplazamiento de las ondas producidas por la perturbación del flujo. Se define como número de Froude F la relación entre la velocidad media de un flujo con respecto a la celeridad de la onda. las ondas que se producen son circulares. se dice que el flujo es subcrítico. Si la velocidad media del flujo es menor que la crítica (F<1). resultando las ondas con forma alargada. Si la velocidad media del flujo es mayor que la velocidad crítica (F>1). hacia abajo. con velocidad de desplazamiento igual en todas las direcciones (figura VII-9a). la velocidad de la onda será menor que hacia aguas abajo.Drenaje vial para ingenieros viales 77 7. del número de Froude es igual a la unidad (F=1). Así pues. la velocidad de desplazamiento de la onda será la resultante de sumar las velocidades del flujo y de la onda. . puesto que ella es mayor que la celeridad de las ondas. Si la velocidad del flujo es supercrítica. Cuando ocurre la misma perturbación en un flujo con velocidad subcrítica. en flujo supercrítico. estas solamente se desplazarán hacia aguas abajo porque la suma de las velocidades hacia aguas arriba será siempre negativa (figura VII-9c). hacia aguas arriba. EL NÚMERO DE FROUDE Se debe tener en cuenta que las deducciones hechas hasta ahora se refieren a canales rectangulares. F= V gy [VII-10] Así pues. Esto ocurre con cualquier tipo de perturbación: en el flujo subcrítico. la perturbación se transmite hacia aguas arriba y.8. NÚMERO DE FROUDE EN CANALES NO RECTANGULARES. se puede escribir: Q2 Q=V . se establecen en ellas las estaciones de medición del caudal. se tendrá que: Vcr g 2 = (ym)cr ⇒ Vcr= g ( ym )cr [VII-12] que tiene la misma forma que la ecuación [VII-9] y Recordando que ym= A/T.A ⇒V = 2 A 2 2 2 2 V2 Q2 E= y+ =y+ 2g 2 gA2 Con Q= constante e igualando a 0 la derivada de E con relación a y y siendo T el ancho de la superficie del flujo (figura VII-10): T dy Q. . A dE Q 2 dA =1– dy gA3 dy dA= T dy ⇒ dA/dy= T TQ 2 dE =1– =0 gA3 dy TQ 2 =1 gA3 [VII-11] Figura VII-10: canal no rectangular.78 Drenaje vial para ingenieros viales 7. Si se desea trabajar con la velocidad crítica. se sustituye Q2 / A2 = V2 en la ecuación Vcr g 2 ⎡T ⎤ ⎢ A⎥ = 1 ⎣ ⎦ cr [VII-11] Asimilando la sección transversal a un rectángulo y llamando a la relación A / T= ym. En canales no rectangulares. el número de Froude quedará definido para una sección no rectangular como: F= V V2 V 2T Q 2T ⇒ F2= = = A gA gA3 gym g T Q 2T gA3 [VII-13] 7. SECCIONES DE CONTROL Se dice que una sección es de control cuando en ella existe una relación definitiva entre la descarga y la altura del flujo. la energía será mínima y el flujo crítico. F= Así pues.10. Cuando se cumpla esta ecuación. profundidad hidráulica media. Debido a esta cualidad.9. Drenaje vial para ingenieros viales 79 En las secciones en que el flujo es crítico. mediante estructuras que provoquen el flujo crítico. por lo que la relación entre caudal y profundidad es independiente de la rugosidad u otras condiciones no controlables. y2.2. (15) o cualquier otra de que disponga el lector. Midiendo en ellas la altura del agua. 1 EL RESALTO HIDRÁULICO 2 Para quien desee estudiar el resalto Q F1 A1. elevación del fondo.que Si se conocen características relaciones pueden ser las empleadas para del flujo hacia aguas arriba: y2 1 2 = − 1 + 1 + 8F1 y1 2 ( ) [V-14a] si se conocen las características del flujo hacia aguas abajo. se puede establecer el gasto que pasa en un momento dado. 8. la profundidad crítica no depende de las condiciones del sitio. en fin. V1 A2. V 2 F2 hidráulico se recomienda las referencias (14). Para la medición del flujo se construyen secciones de control mediante vertederos. ya que el alcance de este trabajo no llega hasta esos temas. estrechamientos. y1. Es por ello que estas son secciones de control en las que la relación entre la altura y el gasto es unívoca: a una altura de agua corresponde un gasto determinado. Figura VII-11: esquema del resalto hidráulico A partir se de llega la a ecuación las del movimiento siguientes Para encontrar la altura conjugada en un resalto. y1 1 2 = − 1 + 1 + 8F2 y2 2 ( ) [V-14b] . Manning la deducción que para el coeficiente C de Chezy hicieran los alemanes Glaucker y Hagen: C= en la que R= A/ P es el radio hidráulico y n un coeficiente de rugosidad del contorno que depende de las características físicas del mismo. S0= pendiente longitudinal en m/m y C= coeficiente de Chezy. Solamente en teoría existen el flujo uniforme o el permanente. Como consecuencia. LA FÓRMULA DE CHEZY En 1768. en este capítulo se describirá la manera de dimensionar pequeños canales de drenaje. es decir. se obtiene la llamada ecuación de Manning: R1 / 6 n [VIII-2] . generan caudales también irregulares e intermitentes. pues esos casos no se presentan en la naturaleza. el ingeniero francés Antoine de Chezy. a los ingenieros civiles no hidráulicos.80 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO VIII FLUJO UNIFORME EN CANALES ABIERTOS Para que el flujo sea uniforme se debe cumplir que la sección transversal. la velocidad y el caudal del canal sean constantes. estableció la fórmula empírica que lleva su nombre: V= C RS0 [VIII-1] donde V= velocidad media del flujo.2. Así pues. la profundidad del flujo. ya que las precipitaciones. R= radio hidráulico. fuente de donde proviene el caudal. Sin embargo. la superficie del flujo y el fondo del canal deben ser paralelos. en cuyo diseño es preciso tener en cuenta criterios que van más allá de las simplificaciones que aquí se harán. Únicamente se ha encontrado diversas maneras de establecer el valor del coeficiente C de Chezy. LA ECUACIÓN DE MANNING En 1891. recubiertos de concreto. En los últimos siglos se ha intentado demostrar esta fórmula y mejorarla. en general. desviaciones de cursos de agua. pero ello no ha sido logrado hasta la fecha. 8. etc. A los ingenieros viales y. para efectos del dimensionamiento los de pequeños canales del drenaje superficial se simplificará el cálculo suponiendo que el flujo es siempre uniforme y permanente. se atribuyó erróneamente al ingeniero irlandés R. se les recomienda de nuevo prudencia para tratar problemas de canales con fondo móvil. Introduciendo [VIII-2] en [VIII-1]. en m. por tanto. a partir de sus observaciones de los ríos que le tocó vigilar. que son los que generalmente discurren a lo largo de las carreteras y se suelen construir con fondo fijo. la línea de la energía. en m/s. canales con grandes gastos. 8.1. son absolutamente irregulares y. SECCIÓN HIDRÁULICAMENTE ÓPTIMA DE UN CANAL Se considerará óptima a la sección que produzca el menor costo posible en excavación y recubrimiento. en consecuencia.A= AR 2 / 3 S 1 / 2 = n ⎛ A⎞ 1/ 2 A⎜ ⎟ S ⎜ p⎟ ⎝ ⎠ ⇒= n 2/3 ⎛ Qn ⎞ ⎜ 1/ 2 ⎟ ⎝S ⎠ 3 5 P2 / 5 [VIII-4] m y b 1 α Esta ecuación muestra que. 8. Aunque existen numerosas formas de determinar el coeficiente de Chezy. menor será la resistencia de la fricción y mayor el radio hidráulico. Aplicando la ecuación [VIII-3] y despejando el área.3. El radio hidráulico R= A/P expresa la eficiencia de la sección pues. los gastos en un canal abierto. A= by + my2 [VIII-5] Como se puede ver en la figura VIII-1. b= P – 2y 1 + m2 A= y (P-2y 1 + m 2 ) + my2 = Py – 2y2 1 + m 2 + my2 .Drenaje vial para ingenieros viales 81 V= R 2 / 3S 1 / 2 n [VIII-3] Esta ecuación describe el flujo el flujo normal de un canal. es decir. por lo tanto. el perímetro mojado también será mínimo. Ello es debido a su sencillez y al hecho de que el coeficiente de rugosidad n ha sido muy estudiado. aumentando la velocidad y. por lo que se dispone de valores para una gran cantidad de materiales que pueden formar el contorno del canal. En él no hay aceleración. para un cierto tamaño de área. el gasto. se obtiene lo siguiente: Q=V. es decir. el flujo uniforme y permanente correspondiente a las características físicas del canal. cuando el área sea mínima. cuanto más pequeño sea el perímetro mojado. P= b + 2y perímetro mojado de un canal en función de la profundidad y: [VIII-6] [VIII-7] [VIII-8] 1 + m2 Despejando b en [VIII-6] e introduciéndolo en [VIII-5]. a la que tenga el área y el perímetro de su sección transversal mínimos para un gasto dado. para un canal y gasto dados. esta es la expresión más usada en la actualidad para determinar la velocidad del flujo y. por lo que la ecuación de Manning expresa el equilibrio. se puede expresar el área y el Figura VIII-1: canal trapecial. y. consideFigura VIII-2: canal 0 rectangular. . ⎛ Qn A= ⎜ ⎜ S 1/ 2 ⎝ 0' ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 3/5 P 2 / 5 = Py – 2y2 1 + m 2 + my2 [VIII-9] Derivando la ecuación [VIII-9] con respecto a y: ⎛ Qn dP y + P – 4y 1 + m 2 + 2my = 2/5 ⎜ ⎜ S 1/ 2 dy ⎝ 0' dp Para calcular el perímetro mínimo. hacemos =0⇒ dy Pmin= 4y 1 + m 2 . obtendremos: dP = dm 4 ym 1 + m2 -2y=0 ⇒ m= 1/ 3 de la figura VIII-1. Esta inclinación del talud es difícil de conseguir debido a las limitaciones que impone la estabilidad de los taludes.2my ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 3/5 P2/5 dP dy [VIII-10] El radio hidráulico óptimo Rop se obtendrá utilizando en la ecuación R= A / P para el área A la expresión [VIII-9] y para el perímetro mojado P la [VIII-10]: Rop= (4 y 1 + m 2 − 2my ) y − 2 y 2 1 + m 2 + my 2 A = = Pmin 4 y 1 + m 2 + 2my 2 4 y 2 1 + m 2 − 2my 2 − 2 y 1 + m 2 + my 2 4 y 1 + m 2 − 2my Par y Rop= [VIII-11] a 2 un b can A= by : P= b+2y ⇒ al Rop= y/2= by / (b+2y) ⇒ rec y tan [VIII-12] b= 2y gul ar Para un canal trapecial. derivando la ecuación [VIII-10] con respecto a m e igualándolo a cero. raremos a la sección como óptima. cuando el m= perímetro mojado sea mínimo. de todas las secciones trapeciales.82 Drenaje vial para ingenieros viales Según las ecuaciones [VIII-4] y [VIII-8]. lo que indica que. por lo que este resultado no es de aplicación práctica. tg α= 1/m= 3 ⇒ α= 60°. ent onces. la sección semi-exagonal es la óptima. .. = Vn) se puede aplicar la ecuación de Manning a cada parte diferente.. se puede considerar independientemente los gastos para las áreas A1 y A2 con los perímetros mojados marcados en ella y el área y coeficiente de rugosidad n que les corresponda. Para calcular el gasto en el canal de la figura VIII-3. An A A2 A A2 / 3 = 1 2/3 = = .8. Cuando las velocidades en las diferentes partes de la sección pueden considerarse aproximadamente iguales (V1= V2= . la sección transversal puede presentar diferentes rugosidades en diferentes tramos.Drenaje vial para ingenieros viales 83 9. FLUJO EN CANALES CON RUGOSIDAD COMPUESTA En algunos canales revestidos o en canales naturales.. = ⇒ Ai= Pini 3 / 2 ⇒ 3/2 2/3 2/3 2/3 Pn nP nP2 nP1 nPn i =1 A i=n P n3/2 A= Σ Ai ⇒ A= 2/3 Σ i nP i=n i =1 Dividiendo ambos términos por A: 1= 2/3 2/3 2/3 1 Pn3 / 2 i=n Σ Pi ni 3 / 2 ⇒ n= ( Σ Pi ni 3 / 2 )2 / 3 i =1 P2 / 3 i=n [VIII-14] i =1 . A1 A2 P1 P2 Figura VIII-3: Canal con rugosidad compuesta. LA SOCAVACIÓN. La primera actividad en el proyecto de cualquier estructura hidráulica es la determinación del gasto de diseño. de arrastrar partículas de suelo en mayor cantidad y de mayor tamaño. que el gasto de diseño depende únicamente de consideraciones hidrológicas y el diseño del canal no puede modificarlo. Ejemplo de esto son los torrentes o ríos de montaña. descendiendo este a veces a niveles que resultan peligrosos para las obras de ingeniería construídas en los lugares por los que corren las aguas. 9. como consecuencia de las precipitaciones. entre otros factores. En cuanto a su sección transversal. Ello no quiere decir que. La capacidad es el gasto que un canal puede transportar según sus características físicas. al moverse sobre un suelo natural. de acuerdo con las características del terreno. para lo cual se puede emplear la fórmula racional o cualquiera de los métodos descritos en la primera parte de este trabajo. se debe establecer la diferencia entre el gasto de diseño y la capacidad de una estructura hidráulica. Las aguas. La capacidad de arrastre de sedimentos de una corriente depende. destinados a conducir pequeños gastos por lo que deben ser de pequeñas dimensiones. El gasto de diseño es aquel que. la capacidad resultante sea igual o mayor que el gasto de diseño. como en el caso de las cunetas. como consecuencia.1. de la velocidad de las aguas y de su carga previa de sedimentos: una alta velocidad con aguas limpias proporciona la mayor capacidad de arrastre de sedimentos. La variación de la capacidad en nada afecta al gasto de diseño y viceversa. que el flujo es permanente y uniforme. es decir. arrastran partículas de suelo cuyo tamaño depende de la capacidad de arrastre de la corriente. las cuales deben ser calculadas de forma que su capacidad sea igual o mayor que el gasto de diseño para que este pueda ser dispuesto donde no produzca daños a la vía. es decir. corren paralelos a las carreteras y ocupan parte de la plataforma de la misma. en los que las grandes pendientes producen altas velocidades del agua y. El traslado de estas partículas produce variaciones en la forma del fondo de los cauces. los canales pueden ser rectangulares. Como ya se dijo. la capacidad de los canales se establecerá mediante la aplicación de la ecuación de Manning. Es decir. Así pues. se espera que se produzca en una cuenca determinada bajo ciertas condiciones. Antes de comenzar. en algunas ocasiones. generalmente. en este trabajo se simplificará el proyecto suponiendo que el flujo en los canales es normal. El proyecto hidráulico consistirá en dimensionar el canal de forma que. triangulares. .84 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO IX PROYECTO DE PEQUEÑOS CANALES En esta parte se describirán algunos métodos para proyectar aquellos canales y cunetas que. trapeciales o. no se deba disponer pequeños canales en zonas diferentes del entorno de la carretera. el coeficiente n de fricción en los canales revestidos suele ser menor que en los de fondo móvil. exigen espacios menores . gravas y cantos rodados) quedando en el lecho aquellas partículas cuyo tamaño fue excesivo para su arrastre. si pierde velocidad por disminución de la pendiente). con lo que la velocidad del flujo en los primeros es mayor y. por el contrario. de cobertura vegetal. se produzca socavación y se lleguen a destruir las estructuras que componen el cuerpo de la carretera. A los canales no revestidos se les llama de fondo móvil. deposita los sedimentos más gruesos formando una figura triangular. por ende. LA SEDIMENTACIÓN. en cuyo caso se produce un descenso del nivel del fondo del curso de agua. Entonces. los canales pueden ser revestidos o no revestidos: si la velocidad del agua puede causar daños al canal y. de concreto asfáltico.Drenaje vial para ingenieros viales 85 arrastran partículas de gran tamaño (arenas gruesas. antes de decidir el revestir o no un canal puede ser necesario hacer tanteos para establecer la velocidad del agua y determinar la necesidad o no de revestimiento. es más económico construir un canal no revestido que uno revestido. Así pues. por el brusco descenso de la pendiente. a la carretera. de piedra. Ejemplo de la primera es la socavación de todo el cauce producida por una creciente y de la segunda la producida alrededor de las pilas de un puente. habrá que revestir el canal para protegerlo.3. La socavación puede presentarse por dos causas principales: la llamada socavación generalizada se debe al aumento de la capacidad de arrastre de la corriente en un tramo de su cauce. limos y arcillas. pues las aguas pueden deformar su contorno como consecuencia de la socavación y transporte de sedimentos. La sedimentación es el fenómeno opuesto a la socavación: cuando una corriente de agua que arrastra una cierta cantidad de sedimentos pierde capacidad de arrastre (como. pero en la decisión de disponer una u otra solución interviene la seguridad futura de la carretera. se depositan en el fondo los de mayor tamaño. la velocidad del agua es baja y los sedimentos arrastrados están compuestos por arenas muy finas. Este fenómeno es especialmente visible en los ríos en los que se forma el cono de deyección. Evidentemente. lo cual contrapone el costo inicial del canal con el costo a largo plazo de la carretera. 9. En los ríos de llanura. Adicionalmente. después de las crecientes los sedimentos tienden a depositarse en la parte interna de las curvas y en los tramos rectos entre curvas consecutivas. en la que el cauce es poco estable y varía de trazado con frecuencia. fenómeno que ocurre cuando un río de montaña llega a la llanura y. etc. Este revestimiento puede ser de concreto de cemento Portland. que es provocada por la turbulencia en los cambios de dirección del flujo alrededor de obstáculos sumergidos. como consecuencia de la velocidad de las aguas. ya que las aguas no son capaces de socavarlo y deformar su contorno. por ende. y la llamada localizada. Tanto en los ríos como en los canales artificiales. 9. A los canales protegidos mediante un revestimiento se les llama de fondo fijo. llamados vados. por ejemplo.2. muchas veces en estado coloidal. CANALES DE FONDO FIJO Y DE FONDO MÓVIL Los canales se excavan en el suelo y suelen protegerse con el fin de evitar que. 4. se obtiene las características del terreno a partir de los planos topográficos. lo que hace su construcción más costosa.00 6. correspondiendo el menor valor a concretos de superficie muy lisa.50 9. Esto es un grave error. en la tabla N° IX-2 se dan los valores que aparecen la ref. concreto asfáltico e. La inexperiencia del proyectista puede conducir a tratar de dimensionar los canales usando únicamente la ecuación Q= V . vienen dados en la tabla IX-1. con vegetación que impida la socavación. zampeado. incluso. aun en los canales revestidos de concreto. Cualquiera que sea el problema que se desee resolver. (10). es imprescindible el uso de la ecuación de Manning.016. por lo que son frecuentes los canales revestidos de sección rectangular. pueden no ser revestidos y. TABLA N° IX-1 Rcc 28 (k/cm2) 210 280 350 420 Vmax (m/s) 5. Las velocidades máximas permisibles en el concreto. para los cálculos hidráulicos se recomienda usar el valor de n= 0. puesto que se considerará que el flujo es uniforme y permanente. la pendiente longitudinal y las características de la sección transversal expresadas en el radio hidráulico. en ciertas ocasiones. según la referencia (13). Una vez determinado el gasto de diseño. terminados de forma bastante rústica. Los canales trapeciales generalmente se revisten con concreto de cemento Portland y. pueden ser revestidos con enrocado. En el caso en que el ancho disponible no constituya una restricción. la cual ocupa mayor espacio pero. que es la que describe dicho flujo. de forma que sus paredes actúen como muros de contención para impedir los derrumbes. pues ella no contempla sino el área de la sección sin tener en cuenta la rugosidad del contorno. muy bien terminados.016. estudios de suelo y del proyecto de la vía. 9. Para otros materiales y acabados. al ser sus orillas estables. y el mayor a concretos no pulidos. Por las características de la construcción del concreto de los canales.86 Drenaje vial para ingenieros viales para su construcción.50 . DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALES REVESTIDOS En todos los casos se tendrá en cuenta la velocidad del agua que. El espacio disponible en la plataforma suele ser escaso. no necesitan tanto espesor ni refuerzo metálico en su recubrimiento. En este caso es necesario revestirlos con concreto armado. los cuales ocupan menos lugar que los de otro tipo de sección transversal. dándose comienzo a la tarea del proyecto de los canales.012 ≤ n ≤ 0. El valor del coeficiente de fricción n del concreto está comprendido entre 0. se puede proyectar los canales con una sección transversal trapecial. no debe sobrepasar la velocidad máxima permisible para que no produzca daños en las estructuras.00 7. A. de serlo. sección bien acabada “Gunite”.0 m/s 6. .110 0.0 m/s 0.05 m 0.070 0. SEGÚN LOS ACABADOS Acabado liso Acabado con cepillo Acabado con cepillo con algo de grava en el fondo Acabado rústico “Gunite”.021 0.014 0.018 FONDO GRAVA.0 m/s 5. sección ondulada ASFALTO: Liso Rugoso 0.5 m/s 3. LADOS SEGÚN SE ESPECIFICAN: De concreto Zampeado Gaviones 0.017 0.15 m 0.013 0.010 0.20 m 0. en relación con la velocidad del agua la referencia (10) da los valores mostrados en la tabla IX-3. SIN PODAR: Grama Bermuda o similar Hierbas 0. (10) VELOCIDAD MÁXIMA ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO LADOS RECUBRIMIENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO 2.08 m RECUBRIMIENTO DE CONCRETO 3.019 0.08 m 0.012 0. (10) MATERIAL CANALES RECUBIERTOS CONCRETO.140 n TUBOS DE METAL CORRUGADO GALVANIZADO: Corriente Con 25% de su periferia pavimentada Con 50% de su periferia pavimentada TUBOS METÁLICOS: Hierro fundido Acero 0.033 TABLA N° IX-3 RECOMENDACIONES PARA EL RECUBRIMIENTO MÍNIMO DE CANALES Fuente: ref.015 0.017 0.Drenaje vial para ingenieros viales 87 TABLA N° IX-2 COEFICIENTES “n” DE MANNING PARA CANALES REVESTIDOS Fuente: ref.10 m 0.013 0.20 m 0.020 0.016 0.023 0.0 m/s 0.10 m FONDO En cuanto al espesor mínimo del recubrimiento.30 m de altura Hierbas muy altas CONDUCTOS TUBOS DE CONCRETO: Prefabricados Vaciados en sitio 0.022 n MATERIAL DE HIERBA.07 m 0.15 m 0.013 0.024 0. 45 0. Canales rectangulares Puesto que sus paredes laterales son verticales. P= b + 2y .(b + 2 y ) 2 / 3 Q= S 1 / 2 (b.5 + 2 y ) 2 / 3 Se necesitará un canal con b= 1.51 m. Una vez determinadas las dimensiones b y y del primer tanteo.00 m y gasto de diseño Q= 2. y ⎞ (b. los canales rectangulares deben ser revestidos para impedir que las aguas puedan provocar el colapso del canal y destruyan la plataforma o que el derrumbe de las paredes del canal cause la obstrucción del mismo y la consiguiente inundación.51 1. y ) 5 / 3 n (b + 2 y ) 2 / 3 [IX-1] Para un cierto canal.016 (1.5 m3/s. y ) 5 / 3 S 1 / 2 = n.50 m3/s. Si el resultado no es satisfactorio o una de las dos dimensiones está obligada por las condiciones del sitio. y ).5 m3/s. En este . En primer lugar. b.80 2. se plantea la ecuación de Manning en función de b y y. ancho obligado b= 1. si se encuentra que no puede ser respetada. V= . se determina el trazado y la pendiente longitudinal S a partir de la topografía del terreno y se asigna el coeficiente de rugosidad n de acuerdo con el material que se va a emplear en el revestimiento. y AR 3 S R 2 / 3 S 1/ 2 A= b . y . si existe un valor obligado de una de las dos variables b o y.50 2.40 0.5 + 2 y ) 2 / 3 (1.44 2.50 0. se tratará de que la solución que se adopte sea lo más parecida posible a ella.016).4.11 2. A continuación se da un ejemplo: Sea un canal rectangular revestido de concreto (n= 0. pero. R= . Q= V .5= y5/3 0. cuya capacidad es de 2. se calcula el gasto de diseño Q mediante uno de los métodos descritos en capítulos anteriores. se aplica la ecuación de Manning y se determina la capacidad del canal con esas dimensiones. El dimensionamiento de un canal es un proceso de prueba y error. En caso de que no haya restricciones de espacio. mediante tanteos se puede encontrar el valor de la otra.5 5 / 3 y 5 / 3 = 12. se puede encontrar la segunda mediante esa relación. Si una de las dos dimensiones está determinada por las condiciones del sitio. el primer término es una constante y.011 / 2 1.286 0. Se trata de encontrar por tanteo la profundidad que produzca una capacidad igual o mayor que y Q 2. con S= 1% de pendiente longitudinal. de forma que produzca la capacidad Q igual o mayor que el gasto de diseño. se puede comenzar el tanteo empleando las dimensiones halladas en la ecuación [VIII-12]: b= 2y en la que b es el ancho del canal y y es la altura del agua (no la del canal). A ⇒ Q= n b + 2y n 2 1 2 ⎛ b.00 y y= 0. Para este caso.⎜ ⎜ b + 2y ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ Q= n 2/3 S 1/ 2 = (b.1.88 Drenaje vial para ingenieros viales 9. la ecuación VII-1 será: 0. a menos que estén excavados en roca. es prudente darle un borde libre adecuado según los criterios que se mostrarán más adelante. por lo que son vulnerables a las altas velocidades del agua. 9. Para ello. se acostumbra a dimensionar las estructuras en múltiplos de 5 cm por exceso. A todos los canales se les debe dejar un borde libre por encima de la profundidad calculada pues.5:1 lo cual parece suficiente. en la ecuación de Manning se sustituirá los valores del área A. S. Adicionalmente. quedará reducida a una ecuación con una sola variable y podremos resolverla por tanteo tal como se hizo en el caso del canal rectangular.4. el perímetro P y el radio hidráulico R por sus valores expresados en función de y. Sin embargo. como el flujo forma olas en su superficie. incluso.S. se hubiera escogido una altura y= 0. S y n.2. Bureau of Reclamation recomienda una pendiente única de 1. es necesario determinar la inclinación m del talud del canal. cambiando únicamente las ecuaciones a emplear. A= by + my2 . si se tiene en cuenta las imprecisiones que están implícitas en la determinación del gasto de diseño y la posibilidad de que el área de la sección transversal se reduzca como consecuencia de la sedimentación. es necesario tener en cuenta el arrastre de sedimentos.06 m3/s es un error aceptable. Como en el caso de los canales rectangulares. el dimensionamiento se hará por tanteo. dañar las inmediaciones del canal. 9. El proceso de dimensionamiento de un canal trapecial con fondo fijo es parecido al de sección rectangular. Una vez establecidos Q. por lo que.50 m.55 m. estas pueden atacarlos si aquella es excesiva. En el estudio de los canales con fondo móvil de cierta importancia. si se les diera solamente la altura del agua seguramente se producirían pequeños desbordamientos que podrían resultar inconvenientes o. P= b + 2y 1 + m 2 Q= V. ambos fenómenos indeseables.Drenaje vial para ingenieros viales 89 caso el resultado para la altura y de 0. Canales trapeciales. Los canales revestidos tienen limitaciones a la velocidad del flujo. n y el atribuido a b o y. el U. Para los taludes de los canales revestidos. Si se considera que 0. Así pues.5. CANALES CON FONDO MÓVIL Son aquellos cuyo contorno está formado por el suelo excavado.A= AR 2/3 S 1/ 2 n = ⎛ by + my 2 (by + my 2 )⎜ ⎜ b + 2y 1+ m2 ⎝ n ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 2/3 S 1/ 2 Sustituyendo en esta ecuación los valores conocidos de m. pues aunque son resistentes a la erosión. ya que la combinación de tamaño de los sedimentos y capacidad de arrastre de la corriente puede producir o bien la socavación del canal o su sedimentación. pro. se adoptaría una altura de y= 0. b y m de las ecuaciones [VIII-5] y [VIII-6].51 m ha coincidido con el gasto previsto.bablemente. . será necesario respetar las velocidades mostradas en la tabla IX-1. 9. 9. considerada muy pequeña desde el resultar enorme para la ingeniería que resulta casi despreciable para el produzca velocidades del agua que En este trabajo se mostrará dos maneras sencillas de enfocar el diseño de los canales de fondo móvil: el método de las velocidades máximas y el de la fuerza tractiva. 9. raíces. n3= corrección adicional por los efectos de las obstrucciones producidas por arrastres. ya que la fricción puede variar con el tiempo. Método del U. de sección niforme.1.2. una pendiente del 1%. ingeniero vial. En efecto. EL COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN LOS CANALES NO REVESTIDOS En los canales no revestidos. Los valores de n y k vienen dados en la tabla IX-5.6. Soil Conservation Service. liso. el coeficiente de fricción n de Manning depende de las características del suelo y el cuidado puesto en su construcción y mantenimiento.6. En la tabla N° IX-4 se muestran los valores de n para canales no revestidos que da la referencia (10). en un canal probablemente ameriten el revestimiento del mismo. k = factor de corrección para tomar en cuenta el efecto de los meandros. n1= corrección por efectos de irregularidad superficial. troncos flotantes. El valor del coeficiente de fricción se obtiene según la siguiente ecuación: n= (n0 + n1 + n2 + n3 + n4) k [IX-2] n0= valor básico del coeficiente para un canal recto.90 Drenaje vial para ingenieros viales Es de hacer notar que una pendiente punto de vista de la ingeniería vial puede hidráulica. n4= corrección adicional por efecto de la vegetación en el cauce. Soil Conservation Service En la misma referencia (10) se describe el procedimiento para estimar el coeficiente n según el método utilizado por el U. las cuales se describen más adelante. Valores de n según el contorno.S.6. n2= corrección adicional por las variaciones en forma y tamaño de la sección.S. . rectos.035 0. TALUDES ESCARPADOS Fondo grava.025 0.030 0.Drenaje vial para ingenieros viales 91 TABLA N° IX-4 COEFICIENTE “n” PARA CANALES NO REVESTIDOS Fuente: ref. arbustos y vegetación en las márgenes EN ROCA: Sección uniforme y lisa Sección irregular y escabrosa CANALES NATURALES CON POCA PENDIENTE (MENOR DE 1%) Sección uniforme. UNIFORME: Sin vegetación Hierba corta. algunas malezas EN TIERRA. escasos cantos rodados Fondo con abundantes cantos rodados 0.027 n MATERIAL SIN MANTENIMIENTO: Gran cantidad de maleza Gran cantidad de maleza.040 0.100 n TORRENTES.050 . SECCIÓN APROX.035 0.035 0.040 0.040 0.100 SIN 0.080 0. con algo de piedra y malezas Limpios.028 0. uniforme Densa vegetación. rectos. sin pozos.022 0.030 0. TERRENOS MONTAÑOSOS. sin pozos. (10) MATERIAL CANALES EXCAVADOS EN TIERRA. árboles. enea Fondo de cantos rodados y taludes sin vegetación DRAGADOS: Sin vegetación Vegetación ligera en los taludes 0.050 0. SECCIÓN UNIFORME: Limpios y sin vegetación Hierba corta. VEGETACIÓN. arbustos 0. algunas malezas Plantas acuáticas. 014 0.30 Lm= longitud del tramo a lo largo del cauce.2 Apreciables: 1.010 EFECTO DE LAS OBSTRUCCIONES 0. “carameras” grandes.020 0.100 1. SOIL CONSERVATION SERVICE Fuente: ref.000 0.005-0.030 0.050-0. la profundidad del agua es tres veces la altura de la vegetación predominante Media: Hierbas.S.005 n1 0.020-0.2 < Lm/Ls ≤ 1.000 0.015 0.00 1.010-0.050 VEGETACIÓN 0. sin ningún acabado VARIACIÓN EN FORMA Y TAMAÑO DE LA SECCIÓN Gradual Ocasional Frecuente Despreciable Escaso: como cuando los arrastres obstruyen algo el paso del agua Apreciable: como cuando se ven raíces y árboles que obstruyen el paso Notable: como cuando hay grandes troncos atascados.015 0.028 0.015 0. la profundidad del agua es comparable a la altura de la vegetación predominante Muy alta: la profundidad del agua es como la mitad de la altura de la vegetación predominante EFECTOS DE LOS MEANDROS* Escasos: 1. Baja: hierbas flexibles.15 1. Ls= longitud del tramo medida en línea recta . etc.005 0.92 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA N° IX-5 COEFICIENTES DEL U.5 Notables: 1.0 ≤ Lm/Ls ≤ 1. pequeños árboles.010-0.010 0.010-0.025-0.5 < Lm/Ls • k n3 n2 n0 VALORES 0. arbustos.010 0.060 0.025 n4 0.000 0.040-0. la profundidad del agua es como dos veces la altura de la vegetación predominante Alta: Hierbas. (10) CONDICIONES DEL CANAL Tierra MATERIAL Roca excavada Grava fina Grava gruesa Ninguno: como una superficie lisa GRADO DE IRREGULARIDAD SUPERFICIAL Escaso: como en los canales bien dragados o aquellos con los lados algo socavados Moderado: como en los canales con taludes socavados Notable: como en los canales muy socavados o aquellos excavados en roca. 0:1 (Vert. siendo el 25% restante mayor que él. (14) MATERIAL TALUD (H:V) Roca Suelos de turba y detritos Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales Arcilla firme o tierra en canales pequeños Tierra arenosa suelta Greda arenosa o arcilla porosa 9.3. TABLA N° IX-7 VELOCIDADES MÁXIMAS RECOMENDADAS EN CANALES NO REVESTIDOS Fuente: ref. Coeficiente n según Strickler. PENDIENTE DE LOS TALUDES d n= 75 26 1/ 6 [IX-3] En la referencia (14) se recomiendan las siguientes pendientes para los taludes de los canales no revestidos.) ¼:1 ½:1 ⇒ 1:1 1:1 1. Esta velocidad se ha determinado para diversos materiales y profundidades.7 Materiales gradados no coloidales .(10) TIPO DE SUELO V (m/s) TIPO DE SUELO V (m/s) Arena fina.5:1 2:1 3:1 MÉTODO DE LAS MÁXIMAS VELOCIDADES PERMISIBLES La máxima velocidad permisible en un canal no revestido es la mayor que no cause seria erosión en su contorno y depende tanto de las características de los suelos como de la profundidad del flujo.8. las cuales se muestran en la tabla N° IX-6. 9. Mediante la comparación del factor de fricción f de Darcy con el coeficiente de fricción n de Manning. Strickler llegó a la siguiente expresión que permite calcular este último cuando se conoce el tamaño de las partículas del contorno: donde d75 es el diámetro máximo del 75% del material medido en peso.6. no coloidal 0. En la tabla IX-7 se muestran las señaladas por la referencia (10) y en las tablas N° IX-8 y IX-9 se reproducen parcialmente las que dio Maza Álvarez en 1967 para suelos no cohesivos y cohesivos respectivamente.7. según el tipo de suelo. TABLA N° IX-6 TALUDES APROPIADOS PARA DISTINTOS TIPOS DE MATERIAL Fuente: ref. expuestas en la referencia (14).Drenaje vial para ingenieros viales 93 9. 94 Drenaje vial para ingenieros viales Greda arenosa, no coloidal Greda limosa, no coloidal Greda firme Grava fina Arcilla dura, muy coloidal Limos aluvionales, no coloidales 0,7 0,9 1,0 1,2 1,4 0,9 Greda a grava Limo a grava Esquisto arcilloso Grava Grava gruesa Grava a cantos rodados 1,4 1,6 1,8 1,8 2,0 2,3 TABLA N° IX-8 VELOCIDADES MEDIAS DE LA CORRIENTE DE AGUA QUE SON ADMISIBLES (NO EROSIVAS) PARA SUELOS NO COHESIVOS, EN m/s. Fuente: ref. (14) MATERIAL φ MEDIO DE LAS PARTÍCULAS (mm) PROFUNDIDAD MEDIA DE LA CORRIENTE (m) 0,40 1,00 2,00 3,00 Polvo y limo Arena fina Arena media Arena gruesa Gravilla fina Gravilla media Gravilla gruesa Grava fina Grava media Grava gruesa Guijarro fino Guijarro medio Guijarro grueso Canto rodado fino Canto rodado medio Canto rodado grueso 0,005-0,05 0,05-0,25 0,25-1,00 1,00-2,50 2,50-5,00 5,00-10,0 10 – 15 15 – 25 25 – 40 40 – 75 75 – 100 100 – 150 150 – 200 200 – 300 300 – 400 400 < φ 0,15-0,20 0,20-0,35 0,35-0,50 0,50-0,65 0,65-0,80 0,80-0,90 0,90-1,10 1,10-1,25 1,25-1,50 1,50-2,00 2,00-2,45 2,45-3,00 3,00-3,50 3,50-3,85 0,20-0,30 0,30-0,45 0,45-0,60 0,60-0,75 0,75-0,85 0,85-1,05 1,05-1,20 1,20-1,45 1,45-1,85 1,85-2,40 2,40-2,80 2,80-3,35 3,35-3,80 3,80-4,35 4,35-4,75 0,25-0,40 0,40-0,55 0,55-0,70 0,70-0,80 0,80-1,00 1,00-1,15 1,15-1,35 1,35-1,65 1,65-2,10 2,10-2,75 2,75-3,20 3,20-3,75 3,75-4,30 4,30-4,70 4,70-4,95 4,95-5,35 0,30-0,45 0,45-0,60 0,60-0,75 0,75-0,90 0,90-1,10 1,10-1,30 1,30-1,30 1,50-1,85 1,85-2,30 2,30-3,10 3,10-3,50 3,50-4,10 4,10-4,65 4,65-4,90 4,90-5,30 5,30-5,50 Drenaje vial para ingenieros viales 95 TABLA N° IX-9 VELOCIDADES MEDIAS DEL AGUA PERMISIBLES PARA SUELOS COHESIVOS FUENTE: REF. (14) Suelos poco Suelos muy Suelos medianamente Suelos compactos, % del compactos, peso compactos, peso compactos, peso peso volumétrico del volumétrico del volumétrico del volumétrico del material seco de 1,66 contenido de partículas material seco hasta material seco de 2,04 material seco 1,2 a a 2,04 t / m3 DENOMINACIÓN 1,66 t / m3 a 2,14 t / m3 1,66 t / m3 DE LOS SUELOS 0,005 Profundidades medias de la corriente, en m φ < <φ 0,4 1,0 2,0 0,4 1,0 2,0 0,4 1,0 2,0 0,4 1,0 2,0 0,005 < VELOCIDADES MEDIAS DEL AGUA EN M/S 0,05 Arcillas y Tierras Fuertemente arcillosas Tierras ligeramente arcillosas Suelos de aluvión arcillas margosas Tierras arenosas 3050 2030 1020 7050 8070 9080 035 0.40 0.45 0.65 0.60 5-10 2040 0.80 0.70 0.90 0.80 0.95 0.85 1.2 1.0 1.4 1.2 1.4 1.1 1.7 1.3 1.9 1.5 0.35 0.40 0.45 0.70 0.85 0.95 1.0 1.2 1.4 1.4 1.7 1.9 Según la tabla N° IX-8 en relación con el tamaño de las fracciones arenosas Como ya se dijo, los canales de fondo móvil deben tener una sección trapecial, ya que las paredes verticales, a menos que el material en que están excavados sea roca, no son estables. Utilizando la velocidad máxima no erosiva como criterio de diseño de los canales trapeciales, el procedimiento es como sigue: a) Se calcula el gasto de diseño Q. A partir del perfil longitudinal del terreno, se establece la pendiente S del canal. De acuerdo con el material del suelo en que se va a excavar, se estima la velocidad máxima permisible Vperm y el coeficiente de fricción n, utilizando para ello las tablas correspondientes. b) Según las características del suelo y usando las tablas destinadas a ese fin, se determina la pendiente del talud m a utilizar. Generalmente es aceptable 2,0 ≥ m ≥ 1,5:1 c) De la fórmula de Manning, para la velocidad máxima permisible: Vperm= ⎛ R 2 3 S 12 ⎜ perm ⎜ n ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ ⇒ Rperm= ⎟ ⎟ ⎠ ⎛ V perm .n ⎞ ⎜ 1/ 2 ⎟ ⎜ S ⎟ ⎝ ⎠ 3/ 2 [IX-4] donde Rperm es el radio hidráulico que producirá la velocidad permisible Vperm. 96 Drenaje vial para ingenieros viales d) Se calcula el área requerida para que el gasto de diseño Q tenga la velocidad Vperm: Q= Vperm . Aperm y b A perm = Q V perm [IX-5] e) El perímetro mojado necesario será: P perm = A perm R perm f) Expresando A perm y P perm [IX-6] en función del ancho b y la altura de agua y e igualándolos a las ecuaciones IX-4 y IX-5: Aperm= by + my2 = Q V perm A perm R perm Pperm= b + 2y 1 + m 2 = g) Resolviendo este sistema de dos ecuaciones de segundo grado con dos incógnitas, se obtendrá los valores de b y y que, para las condiciones del sitio, producirán la velocidad máxima permisible. Se redondeará a 5 cm las dimensiones de la solución que convenga, añadiéndose a la altura y redondeada un borde libre apropiado según los criterios que más adelante se dirá. h) Si la pendiente longitudinal es muy alta, el resultado de este proceso resultará absurdo desde del punto de vista práctico, aunque no desde el punto de vista teórico. En efecto: si la pendiente utilizada en los cálculos tiende a producir velocidades elevadas, el resultado será una sección transversal sumamente ineficiente, con un radio hidráulico muy pequeño, de forma que produzca fricción suficiente como para frenar el flujo. Por ejemplo, si con una pendiente del 5% pretendemos obtener una velocidad del agua de 1 m/s, el resultado será una lámina de unos centímetros de altura por varias decenas de metros de ancho, lo cual no constituye la idea de canal que se tiene en mente, pero representa la solución del problema. Así pues, ante resultados de este tipo, se debe hacer algunos tanteos y, probablemente, decidir el revestimiento del canal. 9.9. MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA Para que el flujo sea normal, debe estar en equilibrio. Para ello, se debe lograr que no haya aceleración en el flujo, es decir, que las fuerzas que actúan sobre un elemento del fluido se anulen. Para lograrlo, se plantea el balance de dichas fuerzas. Drenaje vial para ingenieros viales 97 9.9.1. Método de la fuerza tractiva aplicado al fondo del canal Sean W el peso del fluido contenido entre las secciones 1 y 2 de la figura IX-1; sean Fs la componente de W en la dirección del flujo y Fn la componente normal al mismo; τ0 el esfuerzo de tracción que el fluido ejerce sobre el contorno; L la distancia entre las secciones 1 y 2; α el ángulo de inclinación longitudinal del canal; P el perímetro mojado y A el área de la sección transversal. 1 Energía total α 2 hf Fs W Fn A τ0 L Figura IX-1: esquema correspondiente a la ecuación de la resistencia. La fuerza W será igual al peso específico volumen del flujo entre 1 y 2: W= flujo será: γ γ del agua, multiplicado por el . L . A. Su componente Fs en la dirección del Fs= W sen α= γ L.A sen α [IX-7] La fuerza de fricción Ff será igual al esfuerzo de fricción actuante multiplicado por el área del contorno del canal entre 1 y 2: Ff= τ0 τ0.L.P [IX-8] El equilibrio se obtendrá cuando la componente del peso en dirección del flujo Fs, sea igual a la fuerza Ff producida por los esfuerzos de fricción τ0. Igualando [IX-7] y [IX-8], se obtiene: τ0. L.P= γ.A.L.senα [IX-9] se dividirá [IX-9] por L y por P. Recordando que R= A/P y sustituyendo en [VII-8], se obtiene: τo= γ.R.sen α [IX-10] Puesto que α es casi siempre muy pequeño, se puede asumir que sen α≈ tgα. Por otro lado, en un canal muy ancho, el radio hidráulico R es aproximadamente igual a la profundidad y, por lo que la ecuación VII-10 puede ser escrita como: 98 Drenaje vial para ingenieros viales [IX-11] Esta ecuación describe el esfuerzo cortante que, en oposición al movimiento del flujo, se genera en el fondo de un canal no revestido y trata de comenzar a mover las partículas que lo conforman. En 1930, Shields determinó experimentalmente la magnitud del esfuerzo cortante crítico τc, que es el que produce el inicio del movimiento de las partículas del fondo de los canales, para material no cohesivo. En forma general, el esfuerzo cortante crítico viene dado por la siguiente ecuación encontrada por Shields: donde γs es el peso específico del sedimento sumergido y γ es el peso específico del agua a la temperatura del caso. Los resultados para agua a una temperatura 3 de 24° y sedimentos con peso específico γs= 2.650 kg./m están expresados en la figura N° IX-2: τo= γ. y.S0 τo = 0,056 (γs-γ) d75 [IX-12] Drenaje vial para ingenieros viales 99 Agua a 24° C γs= 2.650 kg/m3 τ/γ Figura IX-2: Esfuerzo cortante crítico para materiales no cohesivos, según Shields. Fuente: ref. (14) Entrando en ella con el diámetro d del material del fondo del canal, se obtiene el valor τc /γ que, aplicado a la ecuación IX-10, permite calcular: τc /γ= R.S0. [10a] 100 Drenaje vial para ingenieros viales Para dimensionar canales con fondo estable, sin tener en cuenta los esfuerzos en los taludes. Puesto que las partículas del material del fondo de los ríos no tienen un tamaño uniforme, se emplea el diámetro de diseño d75, que es el diámetro máximo del 75% del material, medido en peso, quedando un 25% con diámetro mayor que él. Esta práctica conducirá a un acorazamiento del fondo, el cual quedará constituido por partículas de diámetro igual o mayor a d75. En 1936 se desarrolló en Rusia una investigación que determinó los esfuerzos cortantes críticos para suelos cohesivos, cuyo resultado de expresa en la figura IX-3 de la siguiente página. 9.9.2. Método de la fuerza tractiva aplicado a los taludes del canal En los taludes que conforman el canal trapecial actúan la pendiente del talud, la fuerza del peso del material y su ángulo de reposo. En este caso, se puede considerar que el esfuerzo cortante actuante expresado en la ecuación [IX-11] es (τ0)max = 0,75 γ. y.S0 [IX-13] Sobre una partícula P que reposa en el talud de un canal (figura IX-5), actúan dos fuerzas: una, el peso sumergido Ws de la partícula y, la otra, la fuerza tractiva aτs, donde a es el área efectiva de la partícula y τs el esfuerzo unitario tractor en la dirección del flujo. La componente del peso contenida en el plano del talud es Ws sen φ, dondeφ es el ángulo de inclinación del talud según se puede ver en la figura N° IX-4. La resultante de las dos fuerzas que actúan en el plano del talud será: F= W s sen 2 Φ + a 2τ s 2 2 y cuando F sea lo suficientemente grande, la partícula iniciará el movimiento. Se asume que, cuando la partícula está a punto de comenzar el movimiento, su resistencia al mismo es igual a la fuerza crítica Fc que tiende a provocar dicho movimiento. Fc es igual a la componente normal del peso, Ws cosΦ, por el coeficiente de fricción, el cual es igual a tgθ, donde θ es el ángulo de reposo del material del talud. Así pues, para que haya equilibrio, se puede escribir que: Fc= Ws cosΦ tgθ= W s sen 2 Φ + a 2τ s 2 2 [IX-14] [IX-15] Ws tg 2 Φ τs= cos Φ tg θ 1 − 2 a tg θ Drenaje vial para ingenieros viales 101 Figura N° IX-3: esfuerzo cortante crítico en suelos cohesivos. Fuente: ref. (14) . por lo que se puede ignorar la fuerza de la gravedad. El ángulo de reposo debe ser considerado únicamente en los suelos no cohesivos. En el caso de suelos cohesivos o no cohesivos muy finos. Si aplicamos la ecuación [IX-14] a una superficie que resulte la continuación del fondo del canal (Φ= 0) y llamamos al esfuerzo tractivo τL para diferenciarlo de τs que se produce en el talud inclinado. llamada la relación de fuerza tractiva. resultará: Ws tgθ= aτL ⇒ τL= La relación K entre τs [IX-15] y τL [IX-16]. Bureau of Reclamation. . es importante a efectos del diseño: Ws tg θ a [IX-16] τs tg 2 Φ K= = cos Φ 1 − 2 τL tg θ y. En la figura IX-5 se da los valores establecidos por el U.S. simplificando: K= sen 2 Φ 1− sen 2 θ [IX-17] Se puede observar que esta ecuación está únicamente en función del ángulo de reposo del material y de la inclinación del talud.102 Drenaje vial para ingenieros viales SECCIÓN A-A A aτ s Wssen φ P Ws sen φ Ws cos φ φ P F Ws A Q Ws φ Wscos φ Figura IX-4: fuerzas actuantes sobre la partícula P. la fuerza de la cohesión que se opone al movimiento de las partículas es proporcionalmente muy alta. Fuente: ref.S.Drenaje vial para ingenieros viales 103 Figura IX-5: Ángulo de reposo de materiales no cohesivos según el U. (15) . Bureau of Reclamation. es decir. Se busca toda la información necesaria: S. 4. [ I X -1 3 ] ( fig . Utilizando la ecuación de Manning. 1. d 75 . medido en peso. se encuentra b.3. 9. etc. γ. 9. El esfuerzo τL se expresa según la ecuación [IX-13]. Capacidad y gasto de diseño El gasto de diseño corresponde al escurrimiento de la plataforma y las laderas adyacentes o a los cursos de agua que intercepte el canal. cunetas torrenteras. Se obtiene el esfuerzo de tracción τc mediante la ecuación [IX-12] o se encuentra en las figuras IX-2 o IX-3. 3. cambios de gasto de diseño por la confluencia de otros cursos de agua tal como canales. usando la figura IX-5. quedando un 25% con diámetro mayor que él.10. el máximo del 75% del material. γ.6 : d ia g r a m a d e flu jo d e l c á lc u lo . S 0 .10. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO DE PEQUEÑOS CANALES 9. . 6.104 Drenaje vial para ingenieros viales El diámetro a que se refiere dicha figura corresponde a d75. d75. I X -4 ) K = τ c/ τ L = τ c / 0 .7 5 γ y S 0 E q .7 5 γ y S 0 ⇒ y = τ c / 0 .1. 2. Se establece la relación K mediante la ecuación [IX-17]. [ I X -1 2 ] τ c = 0 . etc. Se obtiene aplicando alguno de los procedimientos descritos en la primera parte de este trabajo. Φ E q . Se determina la pendiente del talud estable (θ < φ).7 5 K γ S 0 F IN E q . 7.0 5 6 ( γ s .γ ) d 7 5 o d e fig . Se despeja y y se le aplica un factor de seguridad. [ I X -1 7 ] K= 1− sen sen 2 2 Φ Θ S e c a lc u la b a p a r tir d e la e c u a c ió n d e M a n n in g S e d e te r m in a θ τ L = 0 . Procedimiento para el dimensionamiento El procedimiento para dimensionar un canal no revestido usando el método de la fuerza tractiva es como sigue: y .9. I X -2 I X . Para hallar la capacidad necesaria se divide el trazado del canal en varios tramos determinados por cambios bruscos de la pendiente. 5. cambios en las condiciones externas.3 F ig u r a I X . habrá que especificar un espesor suficiente y un concreto con resistencia capaz de soportar la erosión de las altas velocidades del flujo. críticos o cercanos al crítico. pueden llegar a provocar el desbordamiento del canal.10. En ese caso se debe evitar los cambios de pendiente longitudinal o alineamiento horizontal.Drenaje vial para ingenieros viales 105 Se dimensiona la sección transversal de un tramo del canal de forma que tenga capacidad igual o mayor al gasto que se produzca en su extremo inferior. las altas velocidades del agua pueden producir daños a los revestimientos.4. Seguridad vial Con el fin de evitar daños en el caso en que un vehículo salga de la calzada. 9. en ciertas circunstancias. Cuando el régimen de un canal es crítico o supercrítico.10.5. se los debe proyectar anchos y poco profundos. en los canales de drenaje contiguos a ella la pendiente del talud de ese lado del canal deberá ser como máximo de 4H:1V en carreteras y de 6H:1V en autopistas. Borde libre Se llama borde libre a la distancia vertical que hay entre la superficie del flujo y el borde superior del canal.10. En este caso se subdivide el tramo en otros menores. por lo que. 9. Cuando un tramo largo de un canal recibe a todo lo largo el aporte de las laderas. para los recubrimientos. se deberá construir a lo largo del canal defensas metálicas o de cualquier otro tipo. Es por ello que se recomienda evitar los canales con flujos supercríticos. en la práctica el flujo crítico se puede atribuir a un pequeño rango de velocidades cuyo número de Froude es aproximadamente igual a uno.3. puede existir una diferencia muy grande entre los gastos de los extremos. Esa sección se aplicará a todo el recorrido del tramo. por lo que los canales funcionarán llenos en su parte inferior y estarán sobrediseñados en la superior. En caso de que no sea posible obtener estas pendientes.2. evitando irregularidades que puedan dar lugar al ataque de las aguas y. No se debe dividir el trazado en tramos muy cortos que no produzcan cambios significativos del gasto ni muy largos que produzcan secciones excesivamente sobrediseñadas en el extremo aguas arriba. los taludes y la plataforma de la vía. a veces es imposible evitarlos. resultando así notablemente sobrediseñado el extremo superior. 9. 9. Adicionalmente. aprobadas por las autoridades.10. La velocidad crítica Aunque teóricamente el flujo crítico corresponde al punto de la curva de la energía específica en que esta es mínima. se forman las llamadas ondas estacionarias que. Ello no obstante. ya que así son mucho más fáciles de limpiar o reparar. Mantenimiento Los canales deberán estar siempre limpios de desechos y sedimentos. en lo posible. la construcción y acabados del revestimiento deberán ser de gran calidad. A la profundidad calculada de acuerdo con las necesidades hidráulicas se le debe añadir un borde libre que impida el derrame de las aguas por el oleaje que en ellas se produce o por la deposición de sedimentos . por lo que no hay más remedio que construirlos. el cual es suficiente en canales poco profundos pero que deberá aumentarse cuando crezca la profundidad o las circunstancias lo aconsejen. (15). Bureau of Reclamation (15). más serena. Da. En los canales no revestidos el tamaño del borde libre dependerá del tamaño y de la vía.30 m para canales de poca profundidad. por lo tanto. Según el U. Las olas producidas por las altas velocidades del agua exigirán un borde libre mayor que aquellos canales cuya corriente sea subcrítica y.20 m en canales de 3. el rango del borde localización del canal. El tamaño de este borde libre depende del tamaño del canal. No hay una regla fija acerca del tamaño del borde libre.S. el gasto de diseño y el riesgo que comporte su derramamiento. sirva como un factor de seguridad. etc. el borde libre debe aumentarse para prevenir el derrame del agua. La ref. donde pueden producirse ondas. a la vez. Según la referencia (10). también. . Fuente: ref. las confluencias de otros drenajes. (15) da como usuales bordes libres comprendidos entre un 5% y un 30% de la profundidad del flujo. la ecuación [IX-17] para estimaciones preliminares del borde libre reque- /S Figura N° IX-7: Borde libre y altura no revestida en canales con fondo fijo. hasta 1.000 cfs de gasto.106 Drenaje vial para ingenieros viales que disminuya su sección útil y que. requerimientos operacionales libre va de 0. En los canales en curva con altas velocidades o deflexiones. con profundidades relativamente grandes. el borde libre mínimo es de 10 cm. Confluencias y cambios de sección Cuando se unen dos o más canales. la energía del y1 E1 segundo canal E2= y2 + V22/2g. Es por ello que en canales largos se debe disponer juntas que permitan la dilatación y juntas c debidamente protegidas en que se produzcan las grietas de contracción.00 3. citadas en la referencia (18). y= profundidad del agua.9 a 2. el U.6 a 1. Bureau of Reclamation (15) preparó las curvas de la figura N° IX-7.4 Espaciamiento (m) 3.0 1. Z2= Z1 + E1 – E2 formándose un escalón en la unión de las dos Juntas de secciones. Los criterios para seleccionar el borde libre son los ya nombrados.2 1.0 b (cm) 0. Como una guía. Tanto en las confluencias como en los cambios de sección de un canal. uno. que también arrojan resultados que parecen exagerados: 9. en pies. En caso de que ello no sea posible.S.5 para gastos de 3.S. se recomienda que el cauce de menor gasto descargue por encima de la superficie del mayor.60 a 4. En ese sentido.8 a 3. se recomienda que el ángulo formado por sus alineamientos horizontales no sea mayor de 20°.9 1.5 7.0 6. y C un coeficiente que varía desde C= 1.10.6 a 1.A. t (cm) 5.0 0. y el otro hasta el borde superior del canal.000 cfs o mayores.60 a 4. se asegurará la continuidad del flujo haciendo coincidir las líneas de la energía de cada uno de ellos de forma que Z1 + E1 = Z2 + E2 siendo la energía del primer canal en la confluencia E1= y1 + V12/2g. contracción y dilatación b + 3 mm de drenaje está sujeto a cambios El concreto del revestimiento de los canales de temperatura y de humedad como lo está un pavimento.6. la cota de E2 llegada del fondo del primer cana Z1 es y2 Z1 Z2 conocida y la del segundo Z2 se debe determinar. entonces.1 3. es necesario minimizar las perturbaciones producidas por la turbulencia.7. en pies. 9.60 a 4. En la figura t IX-8 se muestran las dimensiones de las b juntas de contracción para revestimientos de poco espesor.1 a 3.0 a 1.2 7.50 3. quedando la diferencia de altura entre ellos sin recubrir.Drenaje vial para ingenieros viales 107 rido.10.6 a 1. la cual parece dar resultados exagerados para el tipo de canal que se pretende proyectar según los alcances de este trabajo: F= Cy [IX-17] donde F= borde libre.50 3.5 a 2.8 2. Para canales recubiertos se presentan dos bordes libres medidos desde la superficie del agua hasta el borde del recubrimiento.0 a 1.5 para gastos de 20 cfs a C= 2.7 10.2 2.00 3.0 a 1.50 . recomendadas por el Bureau of Reclamation de U.2 c (cm) 1.2 1. especialmente cuando la velocidad del agua es muy alta y la deformación por la dilatación puede traer consecuencias graves. Bureau of Reclamation para juntas de contracción en recubrimientos delgados.00 m. (18) Se necesita disponer juntas de dilatación cada 30. En la figura IX-9 se muestran algunas de estas juntas en recubrimientos con y sin refuerzo metálico. . Fuente: ref.108 Drenaje vial para ingenieros viales Figura IX-8: Dimensiones recomendadas por el U.S. Fuente: ref.Drenaje vial para ingenieros viales 109 Figura IX-9: Juntas típicas en canales. (18) . Tampoco para estas cunetas es aplicable la ecuación de Manning.484 0.17 1.90 Figura X-2: Brocal-cuneta y= 0.016). Como consecuencia. (10) se da la siguiente ecuación obtenida experimentalmente y aplicable a las cunetas triangulares de los tipos A.33 T TIPO A Y= 0.110 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO X LAS CUNETAS Las cunetas son canales de pequeña capacidad. y= profundidad en cm.30 y= 0.239 . Fuente: ref.016. Esta cuneta está formada por la pared vertical del brocal. que se muestran en la figura X-1 de la siguiente página: Q = KS 1 2 y 8 3 [X-1] donde K= constante cuyo valor se muestra en el cuadro de la figura.20 TIPO B Sx 0.00175⎜ ⎟ S 2 y 3 ⎝n⎠ TIPO A B K 0. En la ref.60 y 0.242 0.00 1. Q= capacidad en l/s Otro tipo de cuneta. (10) .20 C D y= 0. En este caso se aplica la ecuación de Izzard: [X-2] ⎛z⎞ 1 8 Q = 0. utilizado en las zonas urbanas o donde quiera que existan aceras con brocales. B. Esta forma se debe a la necesidad de conducir el agua sin producir interferencia o peligro de volcamiento para el tránsito automotor que circula próximo a la cuneta.312 0. su fondo lo constituye el pavimento de la calzada y su ancho T es el ancho de inundación permisible en la vía. generalmente dispuestos en los bordes de las carreteras y frecuentemente con sección transversal triangular. S= pendiente longitudinal el m/m.20 TIPO C TIPO D Figura X-1: Canales triangulares plenos (n= 0. C y D con coeficiente de rugosidad n=0. la sección transversal es poco eficiente y la aplicación de la ecuación de Manning para calcular su capacidad no da resultados satisfactorios. tal como se puede ver en la figura X-2 de la siguiente página. es el llamado brocal-cuneta. 00175⎜ ⎟ S 2 y 3 ⎝n⎠ [X-2] Figura X-3: Cálculo de las capacidades en diferentes tipos de cuneta por descomposición de la sección en triángulos y la aplicación de la ecuación de Izzard a los mismos. en m/m. Su tamaño determina la profundidad y para una Sx dada. Este tipo de cuneta provoca la inundación de una parte de la calzada. en cm. Un valor excesivo de T producirá interferencias en el tránsito automotor y peatonal. calculando la capacidad de cada triángulo y sumando o restando los resultados así obtenidos.Drenaje vial para ingenieros viales 111 donde Q= capacidad. en l/s. n= coeficiente de rugosidad de Manning. Estos anchos de inundación están regulados en la referencia (10) mostrados en las tablas V-4 y V-5. Sx= pendiente transversal. inverso de la pendiente transversal.4 – Q2. T= Z. en m/m.5. y= profundidad máxima. por lo que el ancho de inundación permisible T es un factor limitante de la capacidad de la misma. CUNETA ASIMÉTRICA T1 T2 GASTO PARCIAL Ttotal T2 FONDO CON 2 PENDIENTES 1 2 3 4 Q1 (Sx)1 y Q2 (Sx)2 y Q1 y2 Q2 Sx 6 (Sx)1 5 (Sx)2 Qtotal= Q1+Q2 Q1= Qtotal – Q2 Q2= Qtotal – Q1 Ecuación de Izzard: Qtotal= Q1. z= 1/Sx. .3 ⎛z⎞ 1 8 Q = 0.6. Esta ecuación se puede aplicar a secciones que puedan ser descompuestas en triángulos. S= pendien-te longitudinal.3 + Q2. tal como los de la figura X-3 de la siguiente página.y= ancho de inundación de la calzada.6. 112 Drenaje vial para ingenieros viales CUARTA PARTE DRENAJE SUPERFICIAL . teniendo en cuenta que. Los sumideros son dispositivos consistentes en un orificio y una cámara que capta el agua de la calzada para hacerla pasar al sistema de tuberías o. las disponen en la red de tuberías o. que las disponen fuera de la vía y cuyo dimensionamiento se describió en el capítulo anterior. En las vías rurales. Si bien está en desuso la tipificación de las vías empleada en ellas. ello no significa que esa clasificación sea excluyente. En las zonas urbanas. Su dimensionamiento se hace utilizando la ecuación de Izzard. IV-4 y IV-5 del capítulo IV se muestra el ancho de inundación permisible tanto para vías rurales como urbanas que especifica la ref. a su vez. pudiéndose presentar cunetas o alcantarillas en las ciudades o sumideros y tuberías en el drenaje de vías rurales. También a veces se usan sumideros mixtos. en casos excepcionales. (10). Estas estructuras constituyen el drenaje superficial. también provoca una reducción considerable de la capacidad de la vía que. J. El ancho de las cunetas así formadas provoca la inundación de una parte de la calzada. este drenaje está formado principalmente por el bombeo. esto es. la inclinación de la superficie del pavimento descendente desde el eje hacia los bordes de la calzada. Bauer en 1964 que dan las referencias (10) y (13). descrita en el capítulo anterior. pero su resultado no es muy satisfactorio. Es. por las dimensiones de su geometría. debiera resultar suficiente para acomodar el tránsito. excepcionalmente. Básicamente se pueden considerar dos tipos de sumideros: de ventana y de reja. las aguas generalmente son captadas por las cunetas formadas por el pavimento inclinado y la cara vertical del brocal-cuneta de las aceras. los anchos son todavía aplicables en la actualidad. por lo que la capacidad de la cuneta depende del ancho que adopte dicha inundación. Queda en el buen juicio del proyectista adoptar el ancho de inundación que considere conveniente para un proyecto específico. En las tablas Nos. Estas las conducen hasta los sumideros que. Aunque aquí se haya hecho una separación clara entre las estructuras del drenaje rural y el urbano. y las cunetas laterales que llevan las aguas a los canales. si bien el incrementarlo aumenta la capacidad de la cuneta. canales o redes de tuberías. capte y disponga rápidamente en los cursos de agua naturales mediante cunetas. pues. En Venezuela se utilizan casi exclusivamente los sumideros ensayados por W. construidos o naturales.Drenaje vial para ingenieros viales 113 CAPÍTULO XI CAPACIDAD DE LOS SUMIDEROS Las aguas superficiales que se depositan sobre el pavimento dificultan el tránsito tanto de vehículos como de peatones y su acción prolongada provoca daños al pavimento. en cursos naturales de agua. de suma importancia proveer un sistema de drenaje que las concentre. disponerla en algún curso de agua cercano. de ventana y reja. . llamado ventana. este tiende a pasar de largo captándose solamente una parte de él. a la entrada del sumidero se dispone una depresión en el pavimento de ancho y profundidad tal que no produzca interferencias importantes con el tránsito. la cual las conduce a una tanquilla.114 Drenaje vial para ingenieros viales 11. dando acceso a las aguas a través de un orificio rectangular practicado en la pared vertical del brocal.1. El agua llega al sumidero por el brocal-cuneta pero. tal como se muestra en la figura XI-1 de la siguiente página. . SUMIDEROS DE VENTANA Los sumideros de ventana se disponen debajo de la acera. La ventaja principal de este tipo de sumidero es que no interfiere con el tránsito automotor o peatonal. Para mejorar la capacidad de captación. Las aguas pasan a una cámara de igual longitud que la ventana. debido a la velocidad del flujo. desde donde salen por medio de una tubería. Drenaje vial para ingenieros viales 115 s0 PLANTA A CALLE sX Depresión B Ventana B A L B BROCAL SECCIÓN A-A Losa del sumidero (nivel acera) B Sx 5% h a Pavimento Depresión Brocal-cuneta Depresión Q Agua que pasa de largo Qi Ventana Brocal Figura XI-1: Esquema de la captación en un sumidero de ventana típico. B= ancho de la depresión. Sx= pendiente transversal de la calzada y S0= pendiente longitudinal de la cuneta. (9) En ella. a= B/12= profundidad de la depresión. . L= longitud de la ventana. h= altura de la ventana desde el fondo de la depresión hasta la superficie inferior de la losa superior del sumidero. Fuente: Ref. medida desde la prolongación de la línea de la rasante del pavimento. 0. Fuente: Ref.N. (13) aparece la estructura con mayor detalle.O. tal como lo presenta la ref.00 Min.116 Drenaje vial para ingenieros viales En la figura N° XI-2 se muestra un sumidero de ventana tipo I.. 0. (9).N.S.S.90 SECCIÓN ∅ min. 8% 0.60 a 1. (9) .60 PLANTA Pendiente max.30 a 0. 0.O. ∅ min.30 m SECCIÓN Figura XI-2: Sumidero de ventana tipo I.30 m 0. En la ref. La capacidad de este tipo de vertedero no ha podido ser establecida analíticamente. las dimensiones de la depresión.1. por lo que se ha solucionado el problema empíricamente mediante modelos hidráulicos. lo que lo hace antieconómico. pueden producir una inundación que interrumpa tem poralmente el tránsito por la vía. ya que una falla de los drenajes (por ejemplo.3 Capacidad de los sumideros de ventana en pendiente Como se puede visualizar en la figura N° XI-1. los sumideros de ventana funcionan como vertederos laterales con carga variable. la sección de la cuneta de aproximación. 11. Para que funcione aceptablemente en esas condiciones. función esta de la pendiente longitudinal. si no se pudieran evitar. . no toda el agua que llega al sumidero por la cuneta es captada por este. Punto bajo Figura XI-3: Punto bajo El proyectista de la carretera debiera evitar. Este caso se da con frecuencia en los pasos de carreteras secundarias por debajo de autopistas o vías de mayor categoría. 11.1 Sumideros de ventana en pendiente Colocados en pendiente. debe tratarlos con especial cuidado al momento de proyectar el drenaje. provocar estos puntos bajos.1. ya que en pendientes mayores la velocidad de aproximación del agua es muy elevada y tiende a pasar de largo. b) la profundidad a de la depresión. por lo que es necesario determinar en cada caso su capacidad. En muchos de estos puntos el agua no puede salir libremente por los costados de la carretera. Es por ello que el ingeniero hidráulico debe advertir al ingeniero vial el peligro que estos puntos representan y.1. La capacidad del sumidero crece conforme aumentan: a) la longitud L de la ventana. Se recomienda su uso en calles con pendiente longitudinal igual o menor al 3%. la ventana del sumidero debe ser muy larga. Decrece con el aumento del ancho de inundación T y la pendiente longitudinal S0. restándole eficiencia. la profundidad del agua en ella y su velocidad.Drenaje vial para ingenieros viales 117 11. en lo posible. la obstrucción de los sumideros). c) la altura del agua y en el extremo superior de la ventana del sumidero y d) la pendiente transversal Sx. Su capacidad depende de las dimensiones de la ventana.2 Sumideros de ventana en puntos bajos Llamaremos puntos bajos en una carretera a los de menor cota en una curva vertical cóncava formada por una pendiente descendente y una ascendente. 3. por lo que se acostumbra a interpolar entre las pendientes 0. 11.30. se traza una línea horizontal hasta cortar la curva de la pendiente transversal Sx (m/m) correspondiente. el gasto que entra al sumidero. en la cual. XI-5 y XI-6 dadas en la ref. a partir de los cuales se obtuvieron las figuras XI-4. La capacidad de los sumideros en pendiente se determinó por métodos experimentales. Desde allí. se obtendrá el gasto Qi que entra al sumidero.03 m/m.015 y 0. correspondientes a anchos de depresión de 0. desde ese punto. Capacidad de los sumideros de ventana en puntos bajos El funcionamiento de los sumideros de ventana en puntos bajos es totalmente diferente al de los sumideros en pendiente. Multiplicando esta relación de intercepción por el gasto Q de nuestra cuneta. y Q es el gasto total que llega por la cuneta. se traza una recta vertical hasta cortar la recta correspondiente a la pendiente S0 (m/m) del proyecto. Entrando en los gráficos con el ancho de inundación permisible T (m). se obtiene la relación de intercepción Qi/Q. (10). 0.1. Para encontrar la capacidad de estos sumideros se emplea la figura N° XI-7.00 y 4. esto es.90 m y longitudes de ventana de 1.60 y 0.118 Drenaje vial para ingenieros viales Para encontrar la capacidad del sumidero se buscará la relación de intercepción Qi /Q donde Qi es igual al gasto interceptado.4. Se puede observar en los gráficos que no existe la pendiente transversal del 2% correspondiente al bombeo que habitualmente se emplea en Venezuela. que son las dimensiones habitualmente utilizadas en los sumideros de ventana. entrando con la profundidad . mediante una línea vertical.50 m.50. Drenaje vial para ingenieros viales 119 Figura XI-4: Relación de intercepción en sumideros de ventana con ancho B= 0.30 m. Fuente: Ref. (10) . 60 m. Fuente: Ref. (10) .120 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XI-5: Relación de intercepción en sumideros de ventana con ancho B= 0. Fuente: Ref. (10) .90 m.Drenaje vial para ingenieros viales 121 Figura XI-6: Relación de intercepción en sumideros de ventana con ancho B= 0. 2. Los sumideros colocados en un punto bajo trabajan como vertederos de cresta ancha. los litros por segundo que captará el sumidero por cada metro lineal de ventana. en cuyo caso funcionarán como orificios. los cuales se cubren con una reja metálica para impedir que tanto vehículos como peatones caigan en ellos. esto es. El movimiento del agua a través de la reja se puede suponer como el paso a través de un orificio rectangular de área igual al área neta libre de la reja. XI-8). siempre y cuando la profundidad del agua no sumerja la entrada. Fuente: Ref. según sea el caso (fig. . (10) del agua D se encuentra la capacidad unitaria. 11.122 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XI-7: Capacidad de los sumideros de ventana en puntos bajos por metro lineal de ventana. SUMIDEROS DE REJA Los sumideros de reja consisten en orificios practicados en la calzada. lo cual debe ser evitado. El agua es recibida por una tanquilla de concreto provista de una tubería de desagüe que dispone el agua en el sistema de tuberías o en un cauce natural. 32 x 0.Drenaje vial para ingenieros viales 123 Siempre que sea posible.90 m pero. En países de clima templado. 11. Como medida de seguridad y para prever la posibilidad de obstrucción del sumidero. donde las intensidades de las lluvias son menores que en los países de clima tropical.N. PLANTA B A 0. Tal como en los sumideros de ventana. sus dimensiones útiles se reducen a 1. se suele usar sumideros más pequeños con reja hechas de hierro fundido. Capacidad de los sumideros de reja en pendiente Para calcular la capacidad de un sumidero de reja se necesita conocer la pendiente longitudinal S0.63 A la boca de visita φmin 300 mm Marco 100x100x10 mm A Acera 0. lo cual está contemplado en los gráficos destinados a su dimensionamiento. Sin embargo.1. los barrotes de la reja se colocarán paralelos a la dirección del agua con el fin de disminuir la posibilidad de obstrucción.72 m y el área neta de sus ranuras resulta de 0..15 B Borde del brocal .61 m.15 0. pero se pueden construir tanto de una como del número de rejas que se consideren necesarias. Los sumideros de reja que se usan habitualmente en Venezuela son los del tipo I.68 m2. descritos en la ref. aumentando la longitud del mismo. La reja es de 1. En Venezuela es raro encontrar este tipo de sumidero.50 x 0.15 2. en este tipo de sumidero también la capacidad de captación disminuye cuando aumenta la pendiente longitudinal.90 x 0.O. El sumidero mostrado en la figura XI-8 corresponde a uno con dos rejas.S. (13) como sumidero en cuneta.15 0. la pendiente transversal Sx y las dimensiones de las rejas. la posibilidad de que los vehículos más livianos puedan caer en el espacio entre las barras hace que habitualmente las rejas tengan sus barras dispuestas a un ángulo de 45°. su área neta se calcula como el doble del área del hueco rectangular necesario para permitir el paso del gasto de diseño. de 0.2.88 PNI N°14 0. los cuales están descritos en la ref. (13) como sumideros en calzada. como consecuencia de las dimensiones del marco de la misma. Fuente: Ref.S.124 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XI-8: Sumidero de reja tipo I. (13) .O.N. 8 0 y A 8 n S0= 1 [XI-1] donde Qi= gasto interceptado. en m.016. Utilizando estas ecuaciones se puede calcular la capacidad de cualquier sumidero. . medida en el sentido del flujo. no importa el número de rejas que haya en cualquier dirección. B B Figura XI-9: Esquema del sumidero. en m/m.O. en l/s pendiente longitudinal. Para ello se puede utilizar la siguiente ecuación: S 2⎛ S B⎞ Qi = 400B 0 ⎜ y A − x ⎟ n ⎝ 2 ⎠ Sx Q S0 1 3 2 S 2 7 siempre que L ≥ 0.N. B= ancho de la reja. en m. en m/m. Sx= pendiente transversal. yA= profundidad del agua al lado del L yA yP Sx brocal.S. la forma de hallar la capacidad de los sumideros de reja se ha encontrado experimentalmente. dimensión normal al flujo. L= longitud de la reja. Una vez más.Drenaje vial para ingenieros viales 125 Figura XI-8 (Continuación): Sumidero de reja tipo I. n= rugosidad = 0. Su capacidad se calcula mediante la ecuación desarrollada en la Johns Hopkins University en 1956.126 Drenaje vial para ingenieros viales En las figuras XI-10 y XI-11 de las siguientes páginas se muestran los gráficos de la capacidad correspondientes a sumideros de una sola reja. 2 gy p [XI-5] donde Qi= gasto interceptado. con la dimensión más larga normal al flujo y. Como se puede observar. cortando la recta correspondiente a la pendiente longitudinal de la calle.2. se halla el caudal interceptado Qi. A= área neta útil del orificio.2. dispuesta esta en ambos sentidos: en el primero. se encuentra el gasto que entra por unidad de área (l/m2) en el eje de las abscisas (cada reja tiene un área útil de 0.6. que es la profundidad del agua sobre el centro de la reja en sentido normal a la dirección del flujo y. Estos gráficos deben ser usados únicamente en las siguientes condiciones: a) pendientes transversales tales que 0. en el segundo.05 S 2 1. En la figura N° XI-12 se presenta el gráfico que da la ref. g= aceleración de la gravedad y yp= altura del agua promedio del agua sobre la reja. En ellas se entra con la profundidad yp. A.83 b) si 0 ≤ 7 n yA 6 c) si n= 0.016 d) si S0 ≤ 8. es más eficiente la reja puesta en la primera posición. (9) y que facilita su cálculo.68 m2). En él se entra con la altura promedio del agua yp en el eje de las ordenadas y.01<Sx<0. Qi = 0. Capacidad de los sumideros de reja en puntos bajos 1 [XI-2] [XI-3] [XI-4] Los sumideros de reja colocados en los puntos bajos de la vía se comportan como orificios. con la misma dimensión en la dirección del flujo. cortando la curva con una línea horizontal.55 yA-7/3 x 10-4 11. . N.016.Sx cm.10 0. POSICIÓN NORMAL AL FLUJO Fuente: Ref.02 S0 0.614 (S01/2/n) yp3/2 Figura XI-10: Capacidad de los sumideros de reja tipo I.01<Sx<0.05 S0/n ≤ 1.01 0.Drenaje vial para ingenieros viales 127 S0 0.005 0. (9) .0/yA7/6 Si n= 0.001 yp= yA – (B/2).5 x yA-7/3x 10-4 Qi= 0.O. S0 ≤ 2.05 0. (B= 150 cm) Limitaciones: 0. en pendiente.S.002 0. 002 0.55 x yA-7/3 x 10-4 Figura XI-11: Capacidad de los sumideros de reja tipo I.83/yA7/6 Si n= 0. POSICIÓN EN DIRECCIÓN DEL FLUJO Fuente: Ref.016. (9) .O.02 S0 0. S0 ≤ 8.N.001 yp= yA.01 0.(B/2) .05 0.005 0. en pendiente.S.01 < Sx < 0.05 S01/2/n ≤ 1.128 Drenaje vial para ingenieros viales S0 0. S x cm (B= 90 cm) Limitaciones: 0.10 0. 6 2 gy P Figura XI-12: Capacidad unitaria de los sumideros de reja en puntos bajos. Fuente: Ref. (9) .Drenaje vial para ingenieros viales 129 QI /A= 0. Al ser impactados directamente por el tránsito automotor. tal como la que producen las cunetas. donde se concentra la mayor cantidad de agua. Ya se dijo que los sumideros no captan toda el agua que les llega por la cuneta. los conductores aminoren la velocidad al llegar a ellos y con eso disminuya la capacidad de la vía. la relación entre el gasto que entra al sumidero y el gasto total. Como ya se dijo. como un reflejo. El drenaje superficial está formado. ya que únicamente obligando al agua a circular pegada a la pared del brocal podrá funcionar este tipo de sumidero. por el bombeo. Las rejas no representan objetivamente un obstáculo para el tránsito. . las cunetas y los sumideros. los sumideros pueden disponer su gasto directamente en los cursos naturales. Los sumideros de reja se colocan preferentemente en la cuneta. el agua pasa al sistema de tuberías que la dispone en los cursos de agua naturales. Un sumidero colocado en el medio de la calzada. Los sumideros están asociados con el drenaje vial urbano y el brocal-cuneta es la estructura destinada a concentrar el agua en el borde de la calzada para poder captarla. tal como se hace con las rejas múltiples que atraviesan una vía de brocal a brocal. por lo que ello constituye una restricción a su uso. solamente captará la pequeña lámina de agua que intercepte su ancho. En los casos en que el gasto no tenga un curso de agua definido sino que corre por todo el pavimento. Su eficiencia viene dada por la relación de intercepción. Los sumideros de ventana no tienen sentido alguno sin la presencia del brocal-cuneta. sino que dejan pasar de largo una parte de ella. Desde los sumideros. principalmente. estos sumideros son muy poco eficientes en pendientes mayores del 3%. Excepcionalmente. No tiene sentido colocar sumideros donde no haya una concentración del gasto. es decir. en una superficie plana del pavimento. pueden construirse sumideros con longitud suficiente para captarlo. se contribuye a la preservación de los pavimentos y taludes. presentan fallas frecuentes en la estructura y las rejas. pero la frecuencia con que presentan desniveles con el resto de la calzada hace que. También pueden ser colocados en puntos bajos de la calzada o los laterales donde se concentra el agua. Al disponer rápidamente de las aguas en el sistema de tuberías. permitir a los peatones cruzar las calzadas con comodidad e impedir la inundación de las aceras y las propiedades adyacentes. Sus ventajas son la escasa interferencia con el tránsito y su difícil obstrucción por los desechos sólidos.130 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XII CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL PROYECTO DEL DRENAJE SUPERFICIAL La función del drenaje superficial es permitir el tránsito automotor libre y seguro por las calzadas. Se obstruyen con mayor facilidad que los de ventana como consecuencia de los desechos sólidos cuyo tamaño les impide pasar por la reja. aunque no haya brocales. precisamente. se dividirá dicha manzana mediante líneas rectas que formen bisectrices en los ángulos de la manzana y rectas que unan las intersecciones de dichas bisectrices entre sí.Drenaje vial para ingenieros viales 131 En las vías rurales el agua corre por el pavimento y. las frecuencias y anchos de inundación dadas en el capítulo II o alguno de los métodos allá descritos. El agua corre a todo lo largo de la cuneta y. por lo que es necesario sacarla de la cuneta mediante el uso de sumideros y disponerla en un sistema de tuberías. 12. 19. DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO Como en todo proyecto hidráulico. la primera tarea será establecer los gastos de diseño. llega rápidamente a los bordes. etc. el agua corre por la calzada hasta llegar al brocalcuneta. principalmente. rápidas. Hoya afluente La divisoria de la hoya afluente a una cuneta o sumidero se determinará teniendo en cuenta tanto la superficie de la vía como aquellas superficies contiguas que drenen hacia ellos. tal como se muestra en la figura XII-1. Esta ubicación está condicionada por la hidrología. Para ello generalmente se utiliza la fórmula racional con los coeficientes de escorrentía.1. las profundidades yA y yP que resulten según la pendiente transversal Sx de la calle. el ancho T de la inundación que la calle puede soportar. donde es recibida por las cunetas.1. cuyas dimensiones están determinadas por las características de la vía y el ancho de la inundación que el proyectista acepte. En el caso de zonas urbanas en las que no esté definida qué parte de la superficie de una manzana forma parte de la hoya afluente a una estructura. Figura XII-1 . en el diseño de las cunetas laterales y las estructuras que permiten la disposición del gasto. El proyecto de los sumideros consiste en determinar qué tipo de sumidero es conveniente en cada calle y la separación que debe existir entre ellos para lograr los fines descritos. a la larga se producirá una inundación indeseable. Este será el principal objetivo del proyecto del drenaje superficial: colocar sumideros a las distancias apropiadas para que la inundación del brocal-cuneta no invada el resto de la calzada. ayudada por el bombeo. la pendiente longitudinal S0. si no se capta. En el drenaje urbano. el proyecto del drenaje superficial consiste. el objetivo del proyecto.2. El área afluente a un sumidero depende de la ubicación de este en el plano lo cual constituye. la capacidad Q de la cuneta resultante y el volumen Qi que capte el sumidero en las condiciones del sitio. tal como torrenteras. las cuales la dispondrán en los cauces naturales. Así pues. Se deberá tener buen juicio para elegir el coeficiente que mejor describa la escorrentía de la zona. que perjudica a una menor cantidad de usuarios.2. Estas pendientes transversales varían con el peralte y su transición.2% . se podrá calcular el gasto de diseño de cada sumidero utilizando para ello la fórmula racional. Para el cálculo del gasto de diseño de cada sumidero. la duración de la lluvia será el tiempo de concentración de su hoya afluente. IV-1 y IV-2 del capítulo IV se dieron los coeficientes de escorrentía. En caso de que no sea aplicable este método se podrá aplicar algún otro.2. Así. 19. deberán contar con mayor protección que una estructura menos costosa o una vía agrícola con escaso volumen de tránsito. IV-3 y IV-4.2. 19.2. Frecuencia y duración de la lluvia La frecuencia de diseño es el principal elemento que determina el grado de protección que se va a asignar al drenaje. tal como los descritos anteriormente. Coeficiente de escorrentía. con el fin de impedir la excesiva sedimentación. A pesar de que la pendiente transversal mínima en países de clima templado es del 1%. Cálculo del gasto Una vez establecidos estos parámetros. cuyo colapso causaría graves inconvenientes a un enorme sector de la población. o una vía con tránsito muy intenso cuya interrupción cause grandes problemas.132 Drenaje vial para ingenieros viales Para obtenerlo. por ejemplo. 19. difícil de construir. se muestran las frecuencias recomendadas por la ref. Por razones de mantenimiento. para áreas pavimentadas menores de 2 has y de 10 min.5. deberá proyectarse con una frecuencia mayor que una alcantarilla colocada en la carretera Caripe-San Antonio de Maturín. tal como se explicará más adelante. el ingeniero podrá aceptarlas o establecer una nueva frecuencia de diseño para cada caso en particular. para áreas pavimentadas mayores de 2 has y áreas mixtas. tal como recomienda la ref. se recomienda una pendiente transversal (bombeo) del 2%. En las tablas Nos. el puente sobre el río Portuguesa debe ser calculado con una frecuencia mayor que los sumideros de una calle local de un pequeño pueblo y una alcantarilla en la Autopista Regional del Centro. del capítulo IV. fijándola de acuerdo al grado de protección que ameriten tanto la vía como su entorno y justificando la decisión suficientemente. En las tablas Nos. Pendientes La capacidad de un brocal-cuneta depende de las pendientes transversal de su fondo Sx y la longitudinal S0. con la duración mínima de 5 min.4. debido a las altas intensidades de las lluvias. en nuestro país. por lo que hay que tener en cuenta esa circunstancia a la hora de calcular la capacidad de una cuneta.2. Sin embargo. (10) para diferentes tipos de vías rurales y urbanas. (10) en su capítulo IV. tanto para zonas rurales como urbanas.3. 19. se deberá seguir un proceso de prueba y error hasta encontrar aquella posición en la que el área afluente produzca un gasto igual a la capacidad de la cuneta. la pendiente longitudinal mínima en cunetas revestidas es del 0. Una estructura muy costosa. interfiriendo así con el tránsito. Las velocidades máximas están dadas en las tablas Nos. por lo que. la pendiente de la vía obliga la de las cunetas. En los puntos de cambio de pendiente transversal de la calzada que pudieran producir derrames del agua sobre los canales de circulación. a veces. en puntos de la calzada con cota 0. condenándola al congestionamiento del tránsito cada vez que cae la lluvia de diseño. En los puntos bajos de la calzada. además del sumidero en el punto más bajo. evitándoles la necesidad de atravesar corrientes de agua que les obliguen a mojarse los pies por encima de los zapatos. la velocidad máxima es de 1. lo que obliga a los brocalescuneta a pendientes menores que las convenientes para el drenaje y.2 VELOCIDADES DEL AGUA PERMISIBLES La velocidad mínima del agua en la cuneta será de 0. Sin embargo. 2. uno a cada lado.3% para cunetas no revestidas.3 UBICACIÓN DE LOS SUMIDEROS Los sumideros que se coloquen deben ser capaces de impedir que se sobrepase el ancho máximo de inundación establecido con el fin de que no se produzcan interferencias con el tránsito. El proyecto hidráulico así diseñado.P. lo cual aumenta la capacidad de la cuneta pero disminuye la capacidad de la vía. Pero también deben impedir que se produzcan concentración de agua en los lugares por los que los vehículos circulen o deban atravesar y deben proporcionar a los peatones un cruce cómodo de las vías. en muchas ocasiones los ingenieros viales adoptan en su proyecto pendientes longitudinales muy bajas. previa comprobación de su capacidad por alguno de los métodos descritos en el capítulo X. otros dos sumideros. deberá colocarse sumideros en los siguientes casos: 1. Se debe impedir que el agua produzca inundaciones superiores a 0. 3. resulta demasiado caro y con un aspecto poco agradable.O. aunque se puede usar cualquier otra sección transversal que el proyectista decida. las cuales en muchos casos resultan insuficientes.5 m/s y en tuberías de concreto.90 m/s para impedir la sedimentación. Con esos fines. pero en ocasiones el proyectista vial no accede a ello. Para las cunetas revestidas con cobertura vegetal. En el ámbito rural se aconseja el uso de las cunetas especificadas por el antiguo M. el ingeniero hidráulico debiera discutir con el vial la conveniencia de aumentar las pendientes. descritas en la figura X-1. Un ejemplo de ellos son los cambios de pendiente en la transición del peralte: en ella el bombeo (pendiente transversal descendente desde el eje hacia . IX-7 y IX-8 del capítulo IX. Sin embargo. no es posible proporcionar esa velocidad.10 m más alta que la del punto más bajo. Inmediatamente aguas arriba de las intersecciones de vías y los cruces de peatones. 12. como consecuencia. 12. que cumple con las exigencias de ancho de inundación. su poca capacidad hidráulica obliga a disponer sumideros a distancias muy cortas. En estos casos. (10) recomienda colocar.Drenaje vial para ingenieros viales 133 y del 0. de 5. Para evitar este exceso de sumideros a veces se aumenta el ancho de inundación T. Por ello la ref.10 m de profundidad en caso de obstrucción del sumidero.00 m/s. se ve que la cuneta. se disponga un sumidero para desalojar las aguas e impedir que se supere ese ancho. se podría ver cómo el gasto que se concentra en las cunetas va creciendo desde cero hasta que el ancho de la inundación supera el permisible. Q= Ca= q. 3. cruzando la calzada. es decir. en ese lugar. en su comienzo. el aporte de agua por metro lineal a lo largo de la vía es también constante. el ancho de inundación será el permisible T: ese es el punto que deseamos identificar para colocar un sumidero en él y evitar que el ancho permisible sea sobrepasado. se supondrá que la vía a drenar es recta y son constantes: a) las pendientes transversal Sx y longitudinal S0. 5. Se calcula la capacidad Ca del brocal-cuneta para las condiciones de la vía según lo descrito en el capítulo X. 2. Así. partiendo de su punto más alto se descendiera por una calle sin sumideros. se llegará a una distancia L en la que el gasto afluente total Q a la cuneta será igual a su capacidad C y. L . tal como está ilustrado en la figura N° XII-2.4 SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE SUMIDEROS Si. las aguas que corren por el borde exterior en el tramo recto. Por cada metro que se desciende. El procedimiento a seguir es como sigue: 1. llega a la cuneta un gasto unitario q. mientras llueve. 12. En los puntos en que la capacidad de la cuneta comienza a ser menor que el gasto afluente. 4. se hace necesario que en el punto en que el ancho de la inundación llega al valor T permisible. En cualquier punto en que afluya el agua y que el ingeniero considere conveniente proteger. llegando a interferir seriamente en el tránsito.134 Drenaje vial para ingenieros viales los bordes) cambia al peralte (pendiente transversal de sentido contrario que adopta en la curva una de las calzadas). al cambiar la pendiente transversal tenderán a pasar al borde interior. Para evitar esto. Si se camina lo suficiente. su ancho de inundación. b) el ancho y las características físicas de la hoya afluente. 12. Así pues. Condiciones ideales Para comprender mejor el procedimiento a seguir.1. para impedir que el agua sobrepase el ancho de inundación permisible. el cual hace aumentar paulatinamente el gasto en la cuneta y.4. 4. no ha recibido ningún aporte. Caminando en el sentido descendente de la vía a partir de su punto más elevado. por consiguiente. Se calcula el aporte unitario q de la hoya empleando la fórmula racional con la intensidad I de la zona. el coeficiente de escorrentía C como el promedio ponderado de los coeficientes de las diferentes características físicas que integran la hoya y un área A correspondiente al ancho de la hoya por un metro de longitud de la vía. c) como consecuencia. El gasto Q=Ca se formará como la suma del gasto Qp que pasó del sumidero anterior más un aporte Q´ que debe producir la hoya: Ca= Q= Qp + Q´⇒ Q´= Ca . por lo que una parte Qp de él pasa de largo. Condiciones reales Las condiciones antes descritas se dan pocas veces en la realidad.4. b) la forma de la hoya afluente a los sumideros no es regular.Qp [XII-2] Es decir. la separación L´ entre los siguientes sumideros será: L´= Q´/q [XIII-3] 12. por lo que también lo hará el gasto afluente por unidad de superficie. en el que todavía no se ha producido ningún gasto.Drenaje vial para ingenieros viales 135 5. y aquel en que se debe colocar el primer sumidero para evitar que se sobrepase el ancho permisible de inundación T será: L= Ca/q [XII-1] B= Ancho total de la hoya afluente Cuneta 6. Así pues.00 m A2. la nueva distancia L´ al siguiente sumidero será menor que la distancia L calculada para el primero. Qp se puede calcular mediante los métodos descritos en el capítulo XI. (B x 1. 1. por tanto. Figura XII-2: Cálculo del gasto unitario 7.A= q= C1 A1 + C 2 A2 . por lo que no tiene sentido hablar del gasto unitario q. Área de ancho= 1. .00 m que produce el gasto unitario Gasto unitario q= C. C2 A1.I. Siguiendo hacia abajo. I .2. C1 La distancia L entre el punto más alto. el próximo sumidero se colocará a una distancia L´.00) l/s A1 + A2 El sumidero que se coloque en este punto no capta la totalidad del gasto. donde el gasto afluente Q vuelva a ser igual a la capacidad de la cuneta. que el gasto que debe aportar la hoya es menor que en el caso anterior y. En su lugar: a) el coeficiente de escorrentía C varía a lo largo de la vía. mientras no cambien las condiciones de la vía. 8. Se repite el proceso desde el paso 3 hasta lograr que Q≈ Ca. 7. 8. Así pues. lo cual es especialmente cierto en las curvas verticales. de capacidad de las cunetas. aumentando o disminuyendo el área de la hoya según haya sido el resultado del paso 5. tener variaciones de pendiente y. se modifica la posición del sumidero y la línea divisoria de la sub-hoya. d) la pendiente transversal Sx varía como consecuencia de los peraltes de las curvas horizontales. Se calcula el gasto Q que produce la sub-hoya y se compara con la capacidad Ca calculada.136 Drenaje vial para ingenieros viales c) la capacidad de la cuneta varía con la pendiente longitudinal S0. Podría. 3. Se establece tentativamente la ubicación del primer sumidero. también. teniendo en cuenta que en otra ubicación pudiera ser diferente. por consiguiente. donde la pendiente longitudinal varía punto a punto y Divisoria de hoya EDIFICIOS C2 C1 PAVIMENTO C2 EDIFICIOS C1 C2 C2 C2 C3 QUINTAS C4 ZONA VERDE C3 QUINTAS C2 C2 EDIFICIOS C1 C2 Figura XII-3: hoya con diferentes características. indicando los coeficientes de escorrentía que corresponden a cada zonificación urbanística. 6. Se calcula la capacidad de la cuneta Ca en ese punto. por lo que se marca ese punto como definitivo para el primer sumidero. El eje de la calle es una divisioria de hoya. Se comienza determinando sobre los planos la hoya afluente a la vía que se va a drenar. 4. 2. Si Q ≠ C. muchas veces no es aplicable el procedimiento descrito en el punto anterior y para encontrar las distancias L y L´ se debe emplear el proceso de prueba y error que se describe a continuación: 1. 5. Se traza la línea divisoria de la sub-hoya que corresponde a esa ubicación del sumidero. . la ubicación tentativa del sumidero resultó correcta. Si Q≈ Ca. habrá que colocar el sumidero calculado entre el inicio y dicho sumidero normativo. en las que cambia continuamente la capacidad Ca. aunque no es difícil. Partiendo del extremo más alto de la vía se determina la distancia máxima L a la que se debe colocar el primer sumidero calculado. Se calcula la distancia máxima L’ a la que se debe colocar el siguiente sumidero calculado y se verifica si la distancia hasta el sumidero normativo próximo es mayor o menor que la calculada. 3. las depresiones y los cambios de pendiente que causen derrame del agua sobre la calzada.5. 12. Si L > que esa distancia. 6. Se calcula el gasto Qp que pasa en el sumidero así obtenido y se obtiene el gasto afluente Q´ del próximo sumidero tal que Q´= Ca . resultando separados por distancias iguales y menores a la máxima. A continuación. se traza sobre los planos la línea divisoria de la hoya total afluente hacia la vía que se desea drenar. El cálculo se realiza según lo indicado en el punto anterior. 5. . 2. especialmente en las curvas verticales y las horizontales.Qp 10. 1. Como se puede apreciar. se reparten los sumideros calculados dividiendo la distancia total entre el número de ellos. Comienza el proyecto con la ubicación en los planos de los sumideros normativos. Si la distancia entre ambos sumideros resulte mayor que L’.3 y calculados a los mencionados en el aparte 4 del mismo punto. Una vez que se ha determinado la ubicación de todos los sumideros. 4. 7. el proceso de prueba y error. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LOS SUMIDEROS Llamaremos normativos a los sumideros obligatorios descritos en los apartes 1 al 3 del punto 12. En el caso habitual en el que la distancia entre sumideros normativos no es múltiplo de la distancia máxima. se debe contar con planos en los que se haya trazado las curvas de pavimento. puede resultar bastante engorroso. se colocará el sumidero normativo. Para identificar los puntos bajos. cuya forma de ubicación se describió en el punto anterior. Si L ≤ que la distancia al primer sumidero normativo. utilizando el gasto Q´ del próximo sumidero en lugar de Q. será necesario intercalar uno o más sumideros colocados a una distancia entre ellos igual o menor a L’. teniendo en cuenta que L’ puede variar al cambiar la ubicación del sumidero (diferentes S0 o Sx).La ubicación de los siguientes sumideros se obtiene de la forma descrita. Es conveniente marcar en el borrador la dirección descendente de las pendientes del pavimento para poder ubicar con mayor facilidad los puntos en que es necesario colocar sumideros.Drenaje vial para ingenieros viales 137 9. se traza en la planta la situación de la red de tuberías que debe disponer las aguas o los canales que las reciban. Si L’ ≥ que esta distancia. el primer sumidero será el normativo. S. SISTEMA DE TUBERÍAS Generalmente. (13) tanto para los drenajes como para las cloacas y tienen que ver más con la ingeniería sanitaria que con la vial.O. Este sistema se diseña siguiendo los procedimientos y normas del I.38 m (15”). que se limitará a dar algunas de las normas especiales para los drenajes. según el I.00 m de longitud. Los diámetros mínimos a utilizar son: para tuberías principales o tuberías laterales de más de 100.N. A este gasto habrá que sumarle el gasto propio del tramo. ya que el tiempo de concentración empleado para cada sumidero en particular no tiene en cuenta el tiempo de viaje del flujo a lo largo de la tubería.00 m de longitud. El área afluente será la suma de todas las áreas tc1= tiempo de concentración para la primera hoya tv3= tiempo de viaje por la tubería entre 1 y 3 Dutación de la lluvia para el punto 3= tc1 + tv3 Figura XII-4: Duración de la lluvia para el cálculo del gasto en un punto de la tubería.30 m (12”) para evitar su obstrucción. φ 0. φ 0. El gasto de diseño de las tuberías no será calculado como la suma de los gastos de los sumideros afluentes.S.84 m a las que.6.O. y para tuberías de mayor diámetro.30 m y φ 0. se puede . afluentes a los sumiPara determinar el gasto de una tubería en cuyo extremo aguas arriba confluyen dos o más colectores. La duración de la lluvia a emplear para calcular el gasto de diseño en cualquier punto de la tubería es la suma del tiempo de concentración tc1 empleado en el sumidero del extremo tc1 1 2 3 aguas arriba del tubo. se debe colocar la rasante de la tubería se dan en la tabla XII-1. el gasto captado por los sumideros pasa a un sistema de tuberías de drenaje que lo dispondrán en los cursos naturales de agua. al final del capítulo. por lo que no serán tratadas en este trabajo. Las profundidades máximas y mínimas para tuberías entre φ 0. Las tuberías de salida de los sumideros tendrán un diámetro mínimo de 0..N. más la el tiempo hasta de el viaje tvi a lo largo de tv 3 tubería se punto en cuestión. dados en la ref. sumando los gastos resultantes. se puede calcular el gasto afluente a cada derosaplicando que desaguan uno de ellos el método simplificado del sumidero descrito en otro capítulo y en la tubería.138 Drenaje vial para ingenieros viales 12. tal como puede visualizar en la figura XII-4.46 m (18”) y para tuberías laterales de menos de 100. se diseñará un canal con pendiente adaptada al terreno. . de los que se muestra un esquema en la figura XII-5 de la siguiente página. provocando el colapso de la estructura.Drenaje vial para ingenieros viales 139 consultar las tablas XIV-2 a XIV-8. la ventana y la entrada del agua deben ser las mismas que las que en él se dan. 12. En cuanto a su forma. pues un chorro de agua de gran velocidad puede socavar su extremo inferior. etc. Los anchos de zanja necesarios se dan en la tabla XIV-1. las características de la depresión. puede diseñarse como resulte más conveniente a las condiciones del sitio. que reduzca sus dimensiones desde el ancho de la ventana y la profundidad en la captación hasta el ancho y profundidad que se consideren suficientes para acomodar el gasto de diseño. A partir de allá. canal.3 del capítulo XI.7. Para ello se construye lo que se conoce como los “baberos”.) evitando la construcción de una tubería colectora del drenaje. Se debe ser cuidadoso al diseñar la descarga en el curso de agua existente. Para poder determinar su capacidad según los métodos descritos en el punto 11. SUMIDEROS QUE DRENAN DIRECTAMENTE A LOS CURSOS DE AGUA En algunas oportunidades es posible descargar los sumideros en algún curso de agua contiguo (quebrada. donde se da la misma información para las tuberías de alcantarillas. . XI) según terreno A Figura XII-5: Esquema de un “babero”.140 Drenaje vial para ingenieros viales PLANTA CALLE SECCIÓN A-A A Depresión S0 sX Posible acera Brocal Posible acera Ventana Al curso de agua Dimensiones de la captación según figura XI-2 del Pendiente punto 11.1 (cap. 69 0.80 0.50 3.30 1.55 1.15 3.65 4.40 1.15 1.10 1.80 s/l 0.00 s/l s/l s/l s/l CLASE 3 Apoyo B desde hasta 0.36 0.00 1.00 2.55 5.10 1.20 1.70 3.95 2.10 1.10 1.10 1.20 8.N.84 φ (m) 0.20 s/l s/l s/l s/l s/l s/l 0.10 1.75 4.10 1.00 5.15 1.20 s/l s/l s/l 9.25 4.95 5.10 1.10 3.95 1. CL-C-65 EN ZANJA SIN ENTIBADO.30 6.40 0.25 3.30 1.60 1.00 1.65 s/l 0.60 1.69 0.80 1.53 0.00 1. Fuente: I.O.00 1.15 1.00 1.70 7.30 0.65 CLASE 2 Apoyo B desde hasta 0.95 5.00 1.40 1.30 0.35 5.10 1.65 s/l 0.40 3.84 0.85 Apoyo A desde hasta CLASE 6 Apoyo B desde hasta Apoyo C desde hasta CLASE 7 Apoyo A desde hasta Apoyo B desde hasta Apoyo C hasta desde ANCHO ZANJA 0.85 1.15 1.10 1.60 1.95 s/l s/l s/l 7.85 1.S.20 s/l s/l s/l s/l 1.53 0. CLASE 1 Apoyo B desde hasta 0.30 m a φ 0.85 1.55 0.46 0.76 0.85 1.35 1.00 4.00 1.20 1.50 2.60 1.00 1.15 1.76 0.15 Apoyo C desde hasta Apoyo A desde hasta 0.15 1.10 1.15 φ 0.15 1.60 Apoyo A desde hasta CLASE 4 Apoyo B desde hasta Apoyo C desde hasta Apoyo A desde hasta 0.Drenaje vial para ingenieros viales 141 TABLA XII-1 PROFUNDIDADES MÍNIMA Y MÁXIMA DE RASANTE ALCANTARILLAS CONCRETO I.69 0.36 0.15 1. NO USAR EN LA ZONA SOMBREADA SALVO EN CASOS ESPECIALES φ (m) 0.15 1.50 4.61 0.40 s/l s/l 7.65 2.84 m S/L= SIN LÍMITE.36 0.40 Apoyo A desde hasta CLASE 5 Apoyo B desde hasta Apoyo C desde hasta Apoyo A desde hasta 0.35 1.46 0.20 s/l s/l s/l s/l s/l s/l 0.05 1.60 6.50 .53 0.25 1.00 1.60 1.S.53 0.20 s/l s/l s/l s/l 1.15 1.76 0.46 0.75 0.00 1.80 8.45 7.95 1.30 7.10 7.60 Apoyo C desde hasta 1.15 1.20 s/l s/l s/l s/l 1.85 0.00 2.00 1.20 s/l s/l s/l s/l 1.61 0.20 s/l s/l s/l s/l s/l s/l 0.80 0.80 0.69 0.95 5.15 1.46 0.80 0.20 5.95 5.80 5.05 1.05 1.O.70 0.84 φ (m) 0.20 s/l s/l s/l s/l s/l 1.10 1.80 0.N.05 5.80 0.84 φ (m) 0.76 0.05 1.75 1.00 1.61 0.85 1.36 0.00 1.20 7.10 1.00 1.15 1.50 3.00 1.61 0.30 0.30 Apoyo C desde hasta 0.00 1.00 1.65 2.80 2.85 1.20 5.30 0.15 4.80 1.15 1.65 1.70 8.45 2. 142 Drenaje vial para ingenieros viales QUINTA PARTE ALCANTARILLAS CONVENCIONALES . tanto en su aproximación a la entrada como a la salida. Las alcantarillas son conductos cerrados que se colocan en el cauce debajo del relleno del terraplén. Al construirse el terraplén. que es el tema de esta parte del curso. Su alto costo y gran importancia para la continuidad del tránsito hacen que su estudio deba ser muy cuidadoso. Los pontones son puentes de pequeño tamaño. la dirección de llegada de la corriente. Desde el punto de vista del drenaje vial. tales como: ™ ™ ™ ™ ™ ™ ™ ™ la geometría de la entrada. Los puentes constituyen una constricción del cauce del río y su cálculo hidráulico se funda en la hidráulica fluvial. este no permite el paso del agua a su través. Precisamente por las partes que deben ser rellenadas es por donde corren los cursos de agua naturales que drenan la hoya. aunque ello no está establecido en la literatura existente. .00 m. Según la importancia del curso de agua que se necesite drenar se construirán puentes. la turbulencia. están las alcantarillas. Las características de su flujo son muy complicadas pues este está controlado por muchas variables. su forma. por lo que se considera que no está dentro de los objetivos de este trabajo.Drenaje vial para ingenieros viales 143 CAPÍTULO XIII HIDRÁULICA DE LAS ALCANTARILLAS La construcción de una carretera se hace mediante banqueos en las partes altas del perfil longitudinal del terreno y terraplenes en las partes bajas. con luz libre de hasta unos 15. que no ha podido ser resuelta analíticamente. las condiciones del flujo. Aunque estructuralmente las alcantarillas son bastante sencillas de resolver. en: a) la determinación la luz necesaria para que el remanso causado por la constricción del cauce no produzca inundación que acarree daños a las zonas adyacentes. y dar continuidad a las carreteras soportando el tránsito automotor. b) la determinación del tirante libre que debe haber entre la superficie del agua y la parte inferior de la estructura y c) la estimación de la socavación de las bases del puente por efectos de las crecientes. etc. Al conjunto de estructuras destinadas a proporcionar el paso de las aguas a través de la carretera se lo conoce como drenaje transversal. los puentes son estructuras de gran tamaño destinadas a salvar cursos de agua de cierta envergadura. tamaño y rugosidad. Por último. tal como ríos de caudal permanente. pero suelen colocarse en cauces naturales cuya hoya no es muy grande. por lo que hay que disponer conductos que lo atraviesen y permitan el paso del agua. el arrastre de sedimentos. de forma que el gasto pueda pasar por ellos evitando la formación de represas. de forma que se obtenga una plataforma con pendientes aceptables para el tránsito automotor. el aire contenido en las aguas. Su tratamiento es similar al de los puentes. fundamentalmente. Consiste. Su manejo exige conocimientos avanzados de hidráulica. no ocurre lo mismo con la hidráulica. la pendiente de la tubería. pontones y alcantarillas. A y forma = constantes S1 ⇒ C 1 Q2 Q1 Figura XIII-1: Control a la entrada y control a la salida . Qentrada= Qsalida⇒ HE= constante Nivel constante Orificio con forma HE y geometría determinadas A Qsalida Qentrada= Qi ⇒ HE= constante Nivel constante HE Orificio con forma y geometría determinadas S2 ⇒ C2 S3 ⇒ C 3 B Q3 Tubería con n. se recurrirá al ejemplo que se muestra en la figura XIII-1. Para explicar mejor estos conceptos. la manera de determinar la capacidad de una alcantarilla sea empírica. el dimensionamiento hidráulico de las alcantarillas consiste esencialmente en establecer qué altura HE debe alcanzar el agua a la entrada de la alcantarilla para que pase el gasto de diseño por un tubo de tamaño dado. el cual.144 Drenaje vial para ingenieros viales Todo ello hace que. hasta ahora. permite una mejor comprensión de lo que representan el control a la entrada y a la salida. Recordando que la altura de agua es una forma de expresar la energía. aunque no es exactamente el mismo caso de las alcantarillas.1 TIPOS DE FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS Básicamente se presentan dos tipos de flujo en las alcantarillas: con control a la entrada y con control a la salida. l. 13. puesto que por la tubería no puede pasar Qsalida. pues al repetir el razonamiento para otras alturas de agua. Para la pendiente S1 la capacidad del tubo es C1. en el flujo con control a la entrada la boca del tubo funciona como un orificio y la capacidad de la tubería está determinada por: ™ la sección transversal del tubo. se le puede hacer variar la pendiente longitudinal S. ™ la altura HE del agua a la entrada del tubo. los valores de la rugosidad n. en una de cuyas paredes se ha practicado un orificio por el que se produce un gasto de salida Qsalida. este funcionará lleno y el control pasará a la salida. entonces. que el control está en la entrada. mientras que por arriba ingresa un gasto Qentrada igual al de salida. entonces. La tubería funcionará parcialmente llena y se dice. Aunque esta capacidad sea mucho mayor que el gasto Qsalida que pasa por el orificio (C1>>>Qsalida).Drenaje vial para ingenieros viales 145 En la parte A de la figura se muestra la sección transversal de un tanque de concreto. En este caso la tubería funcionará llena y se dice que el control está en la salida. la longitud l. Q3 será igual a la capacidad C3. Si se sigue disminuyendo la pendiente hasta un valor S3 es posible que la capacidad C3 de la tubería sea menor que Qsalida (C3<Qsalida) y entonces. continuando. el gasto Q1 que pasa por la tubería no puede ser sino el mismo Qsalida. ya que la capacidad está determinada por las características de la entrada y no de la tubería. que determina la forma y tamaño de la entrada. etc. Sin embargo. En el flujo con control a la salida. Podemos decir. Ello nos indica que la capacidad máxima del sistema ocurre cuando el control está en la salida. la capacidad de la tubería está determinada por los factores siguientes: ™ la forma y tamaño de la sección transversal del tubo. ™ la geometría de la entrada. los gastos resultantes son diferentes. ya que son las características de la tubería las que determinan la capacidad. ™ la altura HE del agua a la entrada del tubo. la capacidad C2 de la tubería disminuirá. el gasto seguirá siendo Q2= Qsalida. En la parte B de la figura. . a la salida del orificio del tanque se le ha añadido una tubería a la que. con lo que la altura del agua HE permanece constante. entonces. ™ la geometría de la entrada: aristas. pero si se mantiene que C2>Qsalida. el gasto Qsalida puede aumentar hasta llegar a igualarse con la capacidad del tubo y. el área A y la forma de la sección transversal permanecen constantes y variará la capacidad C de la tubería como consecuencia del cambio de pendiente. Únicamente variando alguno de estos elementos se conseguirá variar el gasto de salida. Si se disminuye la pendiente llevándola a un valor S2. En el ejemplo descrito se ha supuesto que la altura HE del agua a la entrada de la tubería es constante. el máximo que permite pasar el orificio. En este caso es evidente que el gasto que pasa por el orificio depende exclusivamente de la forma y tamaño de la sección transversal del mismo. por medio de un sistema de poleas. Así pues. disposición. la altura del agua es uno de los factores determinantes en el cálculo de la capacidad de las alcantarillas. Si cuando el control está a la entrada se aumenta considerablemente la altura HE. el control a la entrada y la tubería parcialmente llena. entonces.. Como la tubería es siempre la misma. la geometría de su entrada y la altura del agua HE. que el control del gasto está en el orificio. el que exige mayor altura de agua para que el flujo pase por la tubería. . ™ la longitud de la tubería. Para obviar esta dificultad. Es difícil predecir cual de los dos tipos de control se producirá para un cierto gasto en una tubería. si hay algún cambio en las condiciones tal como la caída de una roca en el canal de salida o la deposición de sedimentos. En este capítulo se expondrán los métodos y teorías que permiten resolver el problema del dimensionamiento hidráulico de las tuberías. En la figura XIII-2 de la siguiente página se muestran los esquemas de los diferentes casos en que se presentan el control a la entrada y el control a la salida en las alcantarillas. ™ la rugosidad y pendiente longitudinal del tubo. esto es. describiéndose en otro capítulo el procedimiento para aplicarlos en la práctica. En algunas ocasiones. siendo la altura H la carga hidráulica necesaria para que el gasto pase a través de la tubería. se calculan las alturas de agua necesarias en ambos tipos de control y se elige el más desfavorable.146 Drenaje vial para ingenieros viales ™ la altura HS del agua en la salida. el control puede cambiar de la entrada a la salida o viceversa. (10) . Fuente: Ref.Drenaje vial para ingenieros viales 147 Figura XIII-2: Esquema de los diferentes casos de control a la entrada y la salida. pues la altura del flujo al penetrar en la tubería sufre una contracción parecida a la que sufre la vena de agua en las compuertas. . por el contrario. Al pasar por la entrada. su rugosidad ni las condiciones en la salida. en su capacidad no influyen determinantemente la longitud del tubo. sí lo está. Si. su forma y la forma de las aristas. se produce el resalto dentro del tubo. en el segundo. la pendiente es supercrítica. si la alcantarilla tiene pendiente subcrítica. Puesto que su capacidad está determinada por las características del orificio de entrada. HE D Vena contraída S0<Scr Figura XIII-3: Flujo tipo compuerta Los esquemas CE-1 y CE-2 de la figura XIII-2 muestran las alcantarillas que funcionan con control a la entrada. la alcantarilla trabaja con control a la entrada.148 Drenaje vial para ingenieros viales 13. XIII-3). las características de dicha entrada y la descarga Q que ella produce para un determinado tamaño y tipo de tubería. aunque la pendiente sea subcrítica.2 ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA ENTRADA que su entrada funciona como un orificio y que su capacidad está determinada principalmente por la profundidad del agua aguas arriba y la geometría de la entrada. al final de este trabajo. aquellas cuya relación de longitud L a diámetro D del tubo es L/D<20. tuberías circulares de concreto y metal corrugado y tubos abovedados de metal corrugado con control a la entrada se obtiene directamente de los nomogramas que se presentan en el Anexo B. el resalto se produce fuera del tubo. incluyendo el área del tubo. por lo que. La altura HE para cajones rectangulares de concreto. En las alcantarillas cortas. En el control a la entrada se produce lo que los textos americanos llaman un “flujo de compuerta” (fig. el flujo se convierte en supercrítico y. En el primero. Para determinar las dimensiones de las alcantarillas con control a la entrada se ha establecido experimentalmente la relación que existe entre la altura del agua a la entrada HE. lo que ahoga el resalto y coloca el control a la salida. la entrada no está sumergida mientras que. no Resalto hidráulico se producirá el resalto y el control estará en la entrada. podemos escribir: H= (1 + Ce + 19.S / n2 | LV2= R4/3. en el esquema CS-3 y el tercero en el esquema CS-4.1. 2g [XIII-3] Esta ecuación está resuelta en los nomogramas que se presentan en el Anexo B al final del trabajo. V= velocidad media del flujo en m/s. al final de este trabajo.S | V2= R4/3. El primer caso está ilustrado en los esquemas CS-1 y CS-2 de la figura XIII-3.n2 / R4/3 | multip. Para que la influencia de los tres últimos factores sea completa. en m.L. los tubos debieran funcionar a sección plena a todo su largo.S1/2 / n | Hf= L. (V2 / 2g) . la altura HE del agua a la entrada del tubo.8 m/s2 19. He= pérdida de carga en la entrada= Ce V2/2g. la geometría de la entrada. num. R= radio hidráulico en m. el segundo.Drenaje vial para ingenieros viales 149 13. incluso.6: Hf= (19.6 n2.Hf / n2 Hf= L. mostrado en la tabla N° 1 del Anexo B. L= longitud de la tubería. g= aceleración de la gravedad= 9. 13. calculada mediante la ecuación de Manning1: Hf= n= coeficiente de fricción de Manning. 4 2g 3 R [XIII-2] Sustituyendo en [XIII-1].L / R4/3) . pero puede que trabajen a sección plena solamente en una parte de del recorrido o. por 2g= 19. En el caso en que resultara necesario emplear un valor de n´ diferente al n empleado en los nomogramas. y denom.6n 2 L V 2 . Ce= coeficiente de pérdida de carga en la entrada. todo el recorrido parcialmente lleno.6n 2 L R 4 3 V2 ).S / n2= R4/3. Altura de agua requerida La carga hidráulica H (figuras XIII-4 y XIII-5) o altura de agua requerida para que un cierto gasto pase a través del tubo se calcula mediante la expresión H= Hv + He +Hf [XIII-1] 2 donde Hv= carga de la velocidad= V /2g. Hf= pérdida de carga por fricción a lo largo del tubo. bastará sustituir la longitud L de la tubería por una longitud equivalente L´ calculada como 1 V= R2/3. la altura HS del agua en la salida.V2.3. la rugosidad y pendiente longitudinal del tubo y la longitud de la tubería.3 ALCANTARILLAS CON CONTROL A LA SALIDA La capacidad de las alcantarillas con control a la salida depende principalmente de la forma y tamaño de la sección transversal del tubo. Esta altura h0 puede adoptar uno de los dos valores que se dan a continuación: H E LS D 0 H h0= H S S L 0 F ig u r a X I I I . HE ≥ 0. Cálculo de la altura de agua en la entrada. Fuente: Ref. (n´/n)2 [XIII-4] Puesto que las pérdidas por fricción se calculan mediante la ecuación de Manning. el resultado es suficientemente aproximado. es decir. se debe cumplir que. siguiendo la figura XIII-2. Puesto que al salir el agua se producen irregularidades en el flujo (figura XIII-5). el valor de h0 (figura XIII-5) será el mayor de los dos siguientes: a) HS b) (dc + D) / 2 HE D LS0 S0 L dc H h0 HS Figura XIII-5: Alcantarilla con control a la salida y salida no sumergida.2. 13. ( 1 0 ) 1. pues no se debe olvidar que en su funcionamiento intervienen también la pendiente longitudinal S0 y las condiciones de la corriente en la salida. se asume que la línea de la energía llega a la salida del tubo a una altura de control h0 medida desde el fondo de la tubería y por encima de la cual se mide la altura de la energía H. Para que sea aplicable en el caso en que toda la tubería funciona parcialmente llena. F u e n te : R e f. Si la altura del agua a la salida de la alcantarilla es mayor que su altura (HS>D).150 Drenaje vial para ingenieros viales L´= L. solamente con la tubería a sección plena la solución es exacta.75 D siendo HE la altura del agua a la entrada y D la altura del tubo. (10) . Si la salida del agua de la alcantarilla no está sumergida.4 : A lc a n t a r illa c o n c o n tr o l a la s a lid a y s a lid a s u m e r g id a .3. h0 se hace igual a HS (figura XIII-4) 2. que está sumergida. En el caso en que solamente una parte de la tubería funcione a sección plena. El cálculo de la capacidad de una alcantarilla con control a la salida no finaliza con la obtención de la carga hidráulica H. la solución es suficientemente aproximada cuando solamente una parte de la tubería funciona a sección plena y.3. Para alturas de HE menores no se ha encontrado solución. se adoptará una altura de referencia h0= necesidad de calcular la verdadera HS. HS se puede obtener directamente mediante la aplicación de la ecuación de Manning a dicho canal. la altura HS que el gasto de diseño adoptará en él resultará menor que la del agua en el extremo de la alcantarilla. se puede hallar la altura HS mediante la curva limnimétrica. aun cuando el aspecto en la proximidad de la descarga de la alcantarilla parezca indicar que HS<D. como consecuencia. . para que sea aplicable cuando toda la tubería funciona parcialmente llena. Si se sospecha que la altura del agua HS en el canal puede ser comparable con el diámetro D. Si la forma del canal de salida lo permite. HS<D y.75 D siendo HE la altura del agua a la entrada y D la altura del tubo. Si para permitir el drenaje ha sido necesario construir un canal de forma regular. se debe cumplir que HE ≥ 0. 13. A partir de las figuras XIII-4 y XIII-5 se puede plantear la ecuación HE + L. se puede aproximar su sección transversal a un trapecio o un rectángulo y aplicarle la ecuación de Manning directamente.S0= H + h0. En ese caso. se debe verificar que aguas abajo no haya algún obstáculo que produzca una elevación del nivel de las aguas. rugosidad y pendiente. que puede encontrarse en los gráficos del anexo B. Despejando HE se obtiene: HE= H + h0 – L. Una vez obtenidos todos los datos necesarios. se puede calcular la altura HE del agua necesaria para que el gasto de diseño pase por la tubería de la alcantarilla cuyo diámetro hemos fijado previamente. 2g [XIII-6] Como ya se dijo. Altura del agua en la salida En muchos casos.S0 [XIII-5] Esta ecuación da resultados precisos cuando la tubería funciona llena en toda su longitud.Drenaje vial para ingenieros viales 151 donde dc es la altura del flujo crítico en la salida. Cuando el canal es regular en su forma. el canal natural de la salida es considerablemente ancho o simplemente no existe y. por tanto. lo cual ocurre cuando (10): V2 HE≥ D + (1 + Ce) . se deberá calcular para obtener un valor de h0 confiable.3. la cual consiste en una gráfica del gasto contra la altura del flujo obtenida mediante la ecuación de Manning. dc + D sin 2 Sin embargo. . se levantan varias secciones en esa zona y se obtiene un promedio de todas ellas. la velocidad a lo largo del tubo busca alcanzar su velocidad normal. hn y calculando los gastos correspondientes.4 VELOCIDAD DEL AGUA EN LA SALIDA Generalmente. . quedando para más adelante la descripción del proceso práctico a seguir. h3. se obtiene del plano la sección transversal del canal natural (figura XIII-6).. Para encontrar la altura HS a que llegará el gasto de diseño. que es supercrítica. Con los resultados así obtenidos se obtiene la curva limnimétrica de gastos contra alturas de agua.152 Drenaje vial para ingenieros viales SECCIÓN TRANSVERSAL CURVA LIMNIMÉTRICA h h3 ⇒ A3 h2 ⇒ A2 h1 ⇒ A1 HS h3 h2 h1 Q1 Q2 Qdis Q Q3 Figura XIII-6: Obtención de HS mediante la curva limnimétrica. el mar. Para prevenirlo. 13. habrá que tener en cuenta la cota máxima de las aguas en que desemboca para obtener la altura HS.4. pasa por la velocidad crítica y llega a la supercrítica. se traza una vertical desde ese gasto hasta cortar la curva y. después de pasar por la crítica. Se aplica la ecuación de Manning y se obtiene el gasto Q1 producido por la altura h1: Se sigue trazando nuevas alturas h2. Así pues. en una alcantarilla con control a la entrada el agua tiende a AR 3 S Q= n 2 1 2 . etc. lo que puede producir socavación en la salida.1.. en una alcantarilla se producen velocidades del agua mayores que las que se producen en el canal natural. el canal de desagüe desemboca en una corriente de agua mayor. En las alcantarillas con control a la entrada la pendiente longitudinal S0 es supercrítica por lo que. Para construir la curva limnimétrica. desde allá. se traza arbitrariamente una altura de agua h1. se encuentra la altura HS mediante una horizontal. un embalse. En este punto solamente se expondrán los criterios que se siguen en el cálculo. Velocidad media del agua a la salida en alcantarillas con control a la entrada En el flujo de “tipo compuerta” la velocidad del agua se acelera. 13. en el momento del dimensionamiento de la tubería se debe calcular la velocidad del agua en la salida y compararla con las velocidades máximas permitidas por las normas para diferentes tipos de suelo. la cual determina un área A1. Cuando. A continuación. en las cercanías de la alcantarilla. En caso de que no esté muy clara la forma de esa sección. Velocidad media del agua a la salida en alcantarillas con control a la salida A la salida de las alcantarillas con control a la salida que funcionan a sección plena con la salida sumergida. el agua en el extremo del tubo ocupa toda o casi toda la sección. En el segundo caso. a la salida la velocidad tenderá a la crítica antes de producirse el resalto. por lo tanto. el más frecuente. En las alcantarillas a sección plena con salida no sumergida. En el primer caso. se utilizará el área de una sección cuya altura h0 esté comprendida entre la crítica dc y el diámetro D: h0 = dc + D 2 . 12. aunque la pendiente sea subcrítica. para obtener la velocidad media del flujo en la salida simplemente se dividirá el gasto total por el área de la sección transversal de la tubería. Para calcular esa velocidad media. se aplica la tan conocida ecuación de Manning: R 3S V= n 2 1 2 Si se cumple que L/D<20. adopta la profundidad crítica dc. la velocidad del agua en el extremo del tubo se hace crítica y.2. al tender el flujo a desparramarse en el cauce que tiene mayor sección que la tubería.4.Drenaje vial para ingenieros viales 153 adoptar la velocidad normal que corresponde a las características de la alcantarilla. Se construyen en el sitio con las dimensiones que resulten del cálculo hidráulico para cada caso particular. principalmente. es conveniente tratar de utilizar el mismo tipo de tubería en todo el proyecto.154 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XIV RECOMENDACIONES GENERALES PARA EL PROYECTO DE ALCANTARILLAS El dimensionamiento hidráulico del drenaje transversal debe asegurar que la capacidad de las alcantarillas sea suficiente para permitir el paso del agua a través de la carretera. de ser posible y especialmente en las hoyas de mayor tamaño. a veces. se compare el resultado obtenido con la capacidad de los cursos de agua naturales obtenida mediante la aplicación de la ecuación de Manning a la sección transversal correspondiente a la altura alcanzada por las crecientes. Se recomienda que. 14.1 GASTOS DE DISEÑO La determinación de los gastos de diseño de las alcantarillas puede tener algunos márgenes de incertidumbre. de acuerdo con las señales físicas del sitio o la información de los pobladores. Sin embargo. Existen publicaciones que proporcionan el diseño estructural para secciones de una y dos celdas con dimensiones estándar (20) y (21). (10). las condiciones del terreno exigen dimensiones especiales para adaptarse a él o las condiciones agresivas del medio contraindican el uso de las tuberías de metal corrugado. las que se hacen en la Ref. su turbulencia y las posibles presiones negativas en la tubería. 14. para garantizar el comportamiento adecuado de las alcantarillas es necesario tomar en cuenta algunas otras consideraciones. El tamaño del cajón debe permitir el acceso a su interior para poder desencofrar la parte interna y. existen algunos elementos que intervienen en la capacidad de las alcantarillas y que no son tomados en cuenta para su diseño. Aquí se presentan. además. Desde el punto de vista constructivo y siempre que sea posible. Cajones rectangulares de concreto armado Estas estructuras se disponen generalmente donde los gastos son grandes. resulta prudente utilizar gastos de diseño conservadores para así prevenir posibles inundaciones con daños al entorno. tal como la velocidad de aproximación de la corriente. Además. las condiciones ideales pueden ser transitorias. pues el estudio a fondo de cada una de las pequeñas hoyas afluentes resultaría tal vez más oneroso que el uso de alcantarillas un poco más grandes.1. La Federal Highway Administration recomienda que los diseños se hagan para las condiciones más desfavorables pues. permitir el mantenimiento. Por todo ello. Si no se . lo que no permite garantizar su permanencia. tuberías prefabricadas de concreto o tuberías de metal corrugado.2 TIPOS USUALES DE ALCANTARILLA Las alcantarillas generalmente se construyen con cajones de concreto armado construidos en el sitio. 14.2. resultar competitivas con las tuberías de metal corrugado. formen una tubería del diámetro especificado. su altura es menor que en la sección circular y su capacidad parecida. de diámetros entre 1. Tuberías circulares prefabricadas de concreto Son muy útiles en ambientes agresivos. Para áreas iguales. Los tubos circulares de concreto también se utilizan en las redes de tuberías de drenaje. quedando los diámetros menores para los sistemas de cloacas.52 y 3.46 y 3. 14.74 m con diferentes resistencias a la compresión. Es por ello que este tipo de tubería debe ser protegido por un recubrimiento total de asfalto en lugares donde (10): ™ el agua se estanca y la vegetación puede producir ácidos orgánicos.2. el costo de las alcantarillas de grandes diámetros construidas con este tipo de tubería es muy elevado. Tuberías de metal corrugado Están compuestas por planchas curvadas de metal corrugado y galvanizado. los diámetros se solapan entre 1. Sus principales ventajas son el precio de los diámetros grandes y la facilidad para el transporte e instalación.4x50. Sin embargo. Aunque en condiciones normales el galvanizado proporciona una protección suficiente y su duración es satisfactoria.22 m. de forma que. en ciertas condiciones. Las de mayor diámetro y las de las clases más resistentes llevan armadura metálica.7x12.4 mm (3”x1”) mientras que en los 3 2 tubos de “láminas estructurales” (10) o “chapas estructurales” (11). Como se puede ver.2. Son livianas y muy fáciles de transportar. su desventaja principal es que son vulnerables a los agentes externos.Drenaje vial para ingenieros viales 155 dispone de alguna de ellas. de diámetros entre 0. En esta última el ancho es mayor que el alto.92 m. La resistencia a la compresión se la brindan las corrugaciones. las corrugaciones pueden ser de 67.3. lo que puede hacer preferibles los cajones rectangulares de concreto armado. ya que no ocupan mucho volumen.8 mm (6”x2”). tanto por el costo propio de las tuberías como por el costo de transporte y colocación. prefiriéndose tuberías de metal corrugado siempre que las condiciones del sitio lo permitan. Estas tuberías vienen en secciones circular y abovedada.10 m a los 2. ™ los suelos sean secos y alcalinos. lo que permite colocarlas en lugares en que la altura del relleno no es muy alta. las cuales pueden ser de tres tamaños: en los tubos de “metal corrugado” (10) o “acero corrugado” (11). la corrugación es de 152.04 m. 14.04 m.2. Ello se debe a que.7 mm (2 2 ”x 1 ”) y de 76. ™ pueda estar sometida a humedad constante. Se construyen en tamaños que van desde los 0. el cálculo estructural deberá ser realizado por el proyectista. Las tuberías de diámetros no muy grandes son relativamente fáciles de colocar y. por la diferente resistencia a la compresión que cada uno de los tamaños de corrugación que ofrecen. .52 y 7. al unirlas por medio de pernos. No es muy frecuente el uso de tuberías de concreto con diámetros superiores a 1. la altura permisible del relleno de su cobertura varía.2x25. 61 m (24”) siempre que su longitud no sea muy grande. el diámetro mínimo será de 1. Entre el nivel máximo de las aguas y la cota de la subrasante de la carretera debe quedar un borde libre de por lo menos 0. Sin embargo. se puede pavimentar su fondo con concreto fijado con una armadura metálica. ™ donde puedan correr aguas cloacales. 2. 14.4 ALTURA DE AGUA PERMISIBLE EN LA ENTRADA (HEP) La altura de agua o carga hidráulica permisible a la entrada de la alcantarilla se determina como la menor obtenida mediante los tres criterios siguientes (10): 1. en el que se debe incluir los costos de operación y mantenimiento.22 m (48”). (8).3 DIÁMETROS MÍNIMOS Según la ref.60 m por debajo de la cota de la rasante. ™ cuando están sometidas al aire o las aguas salinos. 14. Se suele usar un borde libre de 0. al momento de decidir el diámetro mínimo que se usará se debe tener en cuenta que la seguridad física de la carretera depende.2 veces el diámetro de la alcantarilla (HE/D ≤ 1. (10). ™ cuando los suelos contienen altas cantidades de minerales o sean alcalinos y húmedos. .46 m (18”). c) Para carreteras secundarias y previa justificación técnica. El pavimento debe cubrir el tercio inferior del tubo y cubrir por completo las corrugaciones. se deberá aumentar el espesor de la lámina metálica o utilizar otro material en los siguientes casos: ™ donde las velocidades del agua son mayores de 3. de la calidad de su drenaje. los diámetros mínimos de las alcantarillas serán: a) En los casos normales 0. que da los valores mostrados en la tabla XIV-1. La carga hidráulica a la entrada no debe sobrepasar una altura igual a 1. El agua no debe producir daños a las propiedades situadas aguas arriba de la alcantarilla. No se debe olvidar que el costo a minimizar no es el inicial de construcción sino el costo total del transporte. El nivel de peligro se establece mediante los planos con curvas de nivel y una inspección ocular del sitio. Sin embargo esta altura ha sido modificada en la ref. por lo que no se deberá intentar un ahorro arriesgándose a costos de mantenimiento muy altos e interrupciones de tránsito en el futuro.5 m/s con arrastre de sedimentos abrasivos.40 m.91 m (36”) para facilitar la limpieza y mantenimiento.156 Drenaje vial para ingenieros viales Además del recubrimiento de asfalto.2). Para protegerlas de la abrasión producida por los sedimentos o del paso de personas o ganado. d) Para caminos. Se debe ser especialmente cuidadoso en zonas planas en las que una ligera elevación del agua puede causar extensas inundaciones. el diámetro mínimo se podrá llevar hasta 0. de establos o desechos industriales. 3. en gran parte. b) Cuando la alcantarilla sea de gran longitud o exista un gran arrastre de sedimentos. se podrá usar un diámetro mínimo de 0. pues exige el empleo de tubos de mayor diámetro.2 1. piedras. exigiéndose únicamente que no se forme aguas arriba una laguna. granzón.90 0.5 D 1. se ha encontrado que la flotación de la tubería. 6 m/s para aguas limpias. por lo que debe ser construido con especificaciones diferentes que la carretera pues.2 ≤ HE/D ≤ 1.5<D<2. La restricción HE/D ≤ 1. etc. pueden producir ahorros de hasta un 40% del costo de construcción.265 m3.5 es el límite en que la entrada de tubería funciona continuamente sumergida. lo que representa una condición de inestabilidad del flujo. las cuales. pues no se ha encontrado en la literatura disponible ninguna justificación a esa medida.5 la entrada pasa aleatoriamente de sumergida a no sumergida. tamaño que se alcanza cuando la altura del agua llega a los 7. . Velocidades máximas en las tuberías Es necesario controlar la velocidad del agua en el interior de la tubería de la alcantarilla para evitar daños a su estructura.0 2. una falla muy frecuente en zonas anegadizas. etc.1.5 1.2 D D HE/D 1. Uno de los elementos de diseño de las alcantarillas con entrada mejorada (22) es. es más grave con relaciones HE/D cercanas a la unidad (32). Por otra parte. en caso de colapsar. en tuberías largas. piedras.5 VELOCIDADES PERMISIBLES 14. En las normas del Estado de California (33) no se limita la relación HE/D. La relación HE/D ≤ 1. disponer de mayor altura de agua a la entrada de la alcantarilla.5 m/s cuando haya evidencia de arrastre de arenas gruesas.0<D Figura XIV-1: entrada sumergida (HE/D > 1.Drenaje vial para ingenieros viales 157 TABLA XIV-1 φ (m) 1.5 1.2 resulta muy conservadora.2).0 D<0. En esos casos el talud trabaja como un dique. También impide el empleo de alcantarillas con entradas mejoradas. Esas velocidades no deben sobrepasar los siguientes valores: ™ Alcantarillas de concreto: 5 m/s cuando haya evidencia de arrastre de arenas gruesas.5. Esta restricción debiera ser revisada..3 1.50 m (25 feet) o su capacidad a los 1.5) y no sumergida (HE/D ≤ 1..9<D<1. limitándola únicamente las dos primeras condiciones ya mencionadas. ™ Alcantarillas metálicas: 3. 7 m/s cuando no haya arrastre de sedimentos gruesos. En el rango 1. lo que encarece el sistema de drenaje sin ofrecer ninguna ventaja. granzón. La relación HE/D ≥ 1. puede causar un grave accidente aguas abajo.2 es el límite en que la entrada funciona constantemente sin sumergirse. 14. precisamente. 5. En la etapa de proyecto es difícil precisar cuales cauces producirán arrastre de materiales flotantes pero.S. Pretender que las alcantarillas tengan capacidad para todos esos desechos sería demasiado oneroso. botes de tierra y zonas erosionables. Velocidades máximas permisibles a la salida de la tubería La aceleración del agua puede provocar socavación a la salida de las alcantarillas. lo que acarrea daños en los taludes de relleno y la plataforma de la carretera. Por ello se recomienda no perturbar el suelo aguas arriba de las alcantarillas. material orgánico. en los cauces en los que se tenga evidencia de ellos. Las tablas que brindan esta información se dan al final del capítulo. Velocidades mínimas Para evitar la deposición de sedimentos. Los suelos removidos en la construcción de la carretera. a esos arrastres hay que añadirles los propios de las calles pavimentadas (papeles. que van desde bolsas de plástico a colchones y neveras. sean construidas en la etapa de ejecución. Si estas estructuras se describen junto con el mantenimiento es porque parece poco probable que. terraplenes. mediante los métodos ya descritos. 14. En las zonas urbanas. en el momento de dimensionar una alcantarilla se debe calcular la velocidad del agua en la salida y compararla con las máximas permisibles dadas en las tablas IX-7 y IX-8 del capítulo IX.6 ARRASTRES Las aguas de lluvia siempre arrastran gran cantidad de sedimentos. por lo que se recomienda tomar medidas preventivas para impedir que lleguen hasta ellas.N. los provenientes de los movimientos de tierra para la construcción de edificaciones y los que producen las áreas de desarrollo anárquico. . Tuberías de concreto En la tabla XIV-1 se dan los anchos de zanja especificados en (34) y en la figura XIV-4 (ambas al final del capítulo) muestran los tipos de apoyo y las profundidades máxima y mínima que especifica el I. 14.1. debe asegurarse que el peso de los vehículos que pasen sobre ella no la dañen. tal como se describe en la parte dedicada al mantenimiento. producen una enorme cantidad de sedimentos que no se presentan en el terreno natural. no botar tierra en zonas que drenen hacia ellas y reforestar lo antes posible todos los taludes. 14. cuando el relleno es bajo. 14. etc.7 PROFUNDIDADES MÁXIMA Y MÍNIMA DE COLOCACIÓN Cuando el relleno es alto.7. Para cada tipo de tubería existe un apoyo y un rango de profundidades en el que se debe colocar la tubería. En caso en que ellas sean sobrepasadas se debe tomar las medidas necesarias para impedir los daños. ramas.). se recomienda la construcción de deflectores tal como los que se describen en la parte dedicada al mantenimiento. árboles.O.3. Es por ello que.5. la velocidad de las aguas no debe ser menor de 1 m/s. envases. sin pruebas visibles de su presencia.2. especialmente los botes de material sobrante. para tuberías de concreto clase INOS CL-C-65. la tubería debe ser capaz de resistir el peso del mismo sin sufrir daños y.158 Drenaje vial para ingenieros viales 14. etc. que se apoya en el suelo.112 mm en las “estructurales”.8 mm (6” x 2”). 14. que es la presión de apoyo en las esquineras. Los espesores varían desde un mínimo de 1.4. por lo que en su proyecto se debe tomar en cuenta tanto la carga muerta del relleno como la carga viva de los vehículos. Tuberías metálicas circulares La resistencia estructural de las tuberías metálicas la brindan tanto el tamaño de la corrugación como el espesor de la lámina. En las referencias (20) y (21) se dan los límites máximo y mínimo que se utilizaron en el cálculo de los cajones. Cajones rectangulares de concreto armado Como ya se dijo. sino más bien en pasos por debajo de otras vías.3. con un radio menor.6x12. En las tuberías de chapas estructurales. la cual está conformada por cuatro arcos: el inferior. (11). Para determinar la altura máxima de relleno que son capaces de soportar.2x25.7 mm (2 2/3” x1/2”). tomadas de la ref. En las tablas XIV-3.2.4 mm (3”x1”) y 152. XIV-7 y XIV-8 se ESQUINERAS FLECHA dan las alturas máximas del relleno por encima del tope de la tubería para los diferentes tamaños de corrugación y presiones de apoyo en las esquineras LUZ Figura XIV-2: Sección abovedada 14. cubre la tubería y dos arcos esquineros. Aunque en el mercado existen tamaños mayores (11). . XIV-4 y XIV-5 que se dan al final del capítulo. se muestran las coberturas máximas y mínimas que debe haber sobre los tubos de sección circular.Drenaje vial para ingenieros viales 159 14.4 x 50.7 cm (18”) y R= 78. etc.7 cm (31”). La ref. se introduce una nueva variable.7. Las dimensiones de una tubería abovedada vienen dadas por la luz (ancho máximo) y la flecha (altura máxima).312 mm en las láminas de “metal corrugado” a un máximo de 7. los tamaños de corrugación de las tuberías son de 67. considerando una carga viva H 20. estos arcos esquineros pueden tener dos dimensiones: R= 45.7. Tuberías metálicas abovedadas La figura XIV-2 muestra un esquema de la sección transversal de las tuberías abovedadas. En las tablas XIV-6. el superior que. 76. (11) es una herramienta muy útil para proyectar tuberías de metal corrugado.7. que cierran el contorno. ellos no son utilizados frecuentemente en alcantarillas. de mayor radio. los cajones rectangulares de concreto armado se calculan para unas condiciones dadas. aún menores y tangentes a los dos anteriores. Como se dijo. En estos casos. Se debe adaptar el tubo a su forma.8 UBICACIÓN DE LAS ALCANTARILLAS El lugar más indicado para la colocación de las alcantarillas es el fondo del cauce natural. en su cruce con la vía. y su entrada debe interceptar la corriente lo más directamente posible. Si la entrada de la alcantarilla queda por encima del terreno natural se provocará un embalse que se debe evitar mediante rellenos extendidos bien compactados que lleguen al nivel de entrada del agua. Del mismo modo. En este caso. es necesario conducirlas hasta el cauce natural mediante una torrentera o alguna estructura similar para evitar la socavación en su descarga. En cualquier caso. Tal vez las condiciones topográficas provoquen velocidades del agua no permisibles en la salida de la alcantarilla. etc. presentando la boca en dirección normal al flujo. Cuando la altura de salida de la alcantarilla esté más alta que el terreno es necesario construir obras de conducción y disipación de energía que. En el caso en que la curvatura del cauce o de la pendiente no sea tan pronunciada. con su extremo aguas arriba captando las aguas y su extremo opuesto disponiéndolas en la ladera (figura XIV-3-3). se puede conseguir una pendiente menor colocando la tubería en un terreno firme obtenido mediante un 1) 2) 3) Figura XIV-3: varias posiciones de las alcantarillas. Puede ocurrir que. tal vez se pueda solucionar el problema modificando el trazado del cauce mediante un movimiento de tierra (fig. . XIV-3-1). se puede lograr que la tubería describa curvas abiertas mediante las deflexiones suaves que permiten sus especificaciones (figura XIV-3-2). caídas. Para que las aguas así dispuestas no causen daños. los asentamientos pueden producir curvaturas no previstas que fracturen las juntas de las tuberías. por lo que se debe ser muy cuidadoso. ya que las tuberías no están diseñadas para resistir esfuerzos cortantes y los asentamientos producidos por los rellenos pueden provocar la ruptura de las mismas. tal como las torrenteras. ya que la presencia de agua embalsada producirá infiltración en los rellenos. protejan los suelos de la socavación. el cauce presente una curvatura muy pronunciada o un cambio de pendiente muy marcado. Se debe tener en cuenta que esos quiebres pueden provocar la obstrucción de la tubería por retención de desechos. se debe procurar que las alcantarillas queden colocadas en terreno firme.160 Drenaje vial para ingenieros viales 14. banqueo hecho a un lado del cauce.. 4 B Piedra picada o grava menuda co mpactadas pasa ½ ” retenido en N°4 0.30 0.10 Concreto Relleno cuidadosamente compactado Min. 0.O.Drenaje vial para ingenieros viales 161 TABLA XIV-1 ANCHOS DE ZANJA ∅ (cm) 10 15 20 25 30 38 45 Ancho zanja (cm) Con entibado Sin entibado ∅ (cm) 50 60 70 75 80 90 105 Ancho zanja (cm) Con entibado Sin entibado ∅ (cm) 120 135 150 165 180 195 210 Ancho zanja (cm) Con entibado Sin entibado ∅ (cm) 225 240 255 270 Ancho zanja (cm) Con Sin entibado entibado 60 60 80 80 80 100 100 100 100 100 100 100 120 120 110 120 130 140 150 170 190 130 140 150 160 170 190 210 210 230 250 260 280 300 320 230 250 270 280 300 320 340 330 350 360 380 350 370 380 400 Min.25 B min.S.60 0.6 B Relleno granular fino TIPO A B TIPO B 1 Relleno compactado B 0.5 B 1.25 B min.5 B 0. (34) .6 B TIPO B 2 TIPO C Figura XIV-4: tipos de apoyo I. 0.30 B Relleno cuidadosamente compactado Relleno cuidadosamente com pactado 0.10 si B ≤ 0. B+0. Fuente: Ref.30 B Min.15 si B>0. 0.20 0.N. 0.60 0. O.50 7. CL-C-65 EN ZANJA SIN ENTIBADO.60 2.80 ANCHO ZANJA ANCHO ZANJA CLASE 6 Apoyo A desde 1.20 3.90 6.25 5.90 8.45 1.20 6.65 7.60 8.50 6.40 8.45 1.90 3.95 2.30 3.05 3.90 4.44 2.50 1.10 7.59 2.52 1.15 6.60 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l Apoyo C desde 1.07 1.45 2.37 1.95 2.75 2.20 8.40 5.00 2.10 2.90 3.98 2.80 1.13 2.17 5.45 2.70 1.45 1.80 4.65 1.35 7.30 2.55 5.35 4.83 1.05 3.30 1.10 6.30 2.55 5.65 1.80 1.90 3.60 2. NO USAR EN LA ZONA SOMBREADA SALVO EN CASOS ESPECIALES φ (m) 0.52 1.70 7.07 1.65 4.00 3.10 2.60 2.10 5.22 1.95 2.30 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l 1.10 2.10 2.30 2.60 2.60 a 7.30 1.10 2.80 1.75 2.45 1.90 7.30 1.25 a 4.13 2.30 2.30 2.05 3.90 4.30 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l Apoyo C desde 1.30 6.60 3.30 1.45 2.30 1.25 a 4.90 3.65 1.45 1.45 4.83 1.25 3.30 1.30 2.95 2.30 2.60 3.30 1.10 2.N.90 8.95 2.10 2.80 5.75 6.15 4.50 3.30 2.10 2.65 1.15 7.75 2.22 1.45 2.95 2.75 2.95 Apoyo B desde 1.80 1.67 1.30 2.10 2.25 a s/l 7.44 2.55 7.95 2.30 4.67 1.50 2.65 8.80 .65 1.45 1.30 6.75 6. Fuente: Ref.10 2.28 2.65 Apoyo C desde 1.98 2.50 2.25 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l CLASE 5 Apoyo B desde 1.25 a 5.85 8.55 Apoyo A Desde 1.80 3.90 5.45 2.20 5.05 3.60 2.65 1.45 1.80 1.10 2.35 7.95 1.60 2.15 7.95 2.90 2.00 3.05 3.65 1.40 3.45 1.80 1.10 2.50 3.10 2.95 2.37 1.75 2.45 1.30 1.75 2.20 3.65 4.05 6.10 7.45 8.28 2.85 6.45 2.80 3.05 2.60 2.10 2.90 3.45 6.80 1.80 1.95 2.25 a 6.65 1.30 1.45 2.75 2.30 1.1 2.50 8.80 1.74 CLASE 4 Apoyo A desde 1.30 2.50 3.91 1.70 5.162 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA XIV-2 PROFUNDIDADES MÍNIMA Y MÁXIMA DE RASANTE PARA TUBERÍAS DE CONCRETO ESPECIFICACIÓN I.95 2.00 7.15 3.65 4.85 5.60 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l Apoyo B desde 1.65 6.65 1.30 8.40 Apoyo C desde 1.70 1.60 2.90 3.45 1.30 a s/l s/l s/l s/l s/l s/l s/l CLASE 7 Apoyo B desde 1.74 φ (m) 0.30 1.65 1.00 8.59 2.91 1.10 5.80 1. (34) s/l= SIN LÍMITE.05 3.90 2.65 1.30 3.45 2.95 6.95 5.45 1.00 5.30 2.S.45 2.80 1.15 4.60 Apoyo A Desde 1.40 5. 91 24.25 59.30 0.44 2.769 3.321 40.72 65.03 44.13 22.45 14.90 3.37 4.12 75.52 22.46 .05 Cobertura mínima (m) COBERTURA MÁXIMA EN METROS Para los siguientes espesores de la lámina (mm) 1.7 mm (2 φ (m) 0.59 38.74 2.38 22.30 21.28 37.04 25.81 38.29 2.68 1.68 1.20 37.07 1.45 58.64 19.06 37.22 1.23 56.17 25.53 0.87 28.07 43.69 21.505 28. Carga viva H 20 φ (m) 0.07 1.7 x 12.44 52.30 23.32 35.50 TABLA XIV-4 LÍMITES PARA LA ALTURA DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA CIRCULAR DE ACERO CORRUGADO.34 47.12 44. Fuente: ref.59 15.69 0.91 1.33 13.29 16.19 11.64 20.61 0.89 10.35 24.96 24.86 21.68 16.17 28.93 36.12 18.64 18.20 17.90 63.505 50. Fuente: ref.16 21.12 18.321 23.22 1.95 0.90 43.30 56.72 12.24 12.58 60.14 32.67 36.00 29.24 42.39 26.58 10.67 10.52 1.06 36.52 1.85 14.93 13.69 48.47 20.98 2.22 28.39 49.769 3.47 21.20 17.Drenaje vial para ingenieros viales 163 TABLA XIV-3 LÍMITES PARA LA ALTURA DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA CIRCULAR DE ACERO CORRUGADO.61 30.29 2.17 19.2 x 25.46 0.73 0.80 11.77 42.80 32.04 25.79 33.83 30.60 43.76 16.83 1.09 26.37 1.59 39.38 21.09 54.25 47.83 1.55 43. (11) Corrugaciones de 76.15 14.98 2.95 20.82 23.267 80.68 1.66 32.17 2/3 x ½)”.13 2.74 24.60 23.90 17.59 39.81 17.006 2.006 2.10 33.10 32. Carga viva H 20 4.83 53.48 27.05 53.4 mm (3 x1)”.08 20.626 2.79 31.74 25.67 50.44 30.89 66.41 12.61 27.23 34.626 2.267 COBERTURA MÁXIMA EN METROS Para los siguientes espesores de la lámina (mm) 1.55 18.16 68.88 31. (11) Corrugaciones de 67.03 19.63 13.83 30.37 15.13 2.59 2.91 1.76 0.37 1.88 34.09 27.58 31.44 Cobertura mínima (m) 1. 21 24.50 41.73 19.55 20.08 23.11 12.76 39.90 17.35 27.02 13.39 29.38 23.14 8.64 20.40 36. Carga viva H 20 φ (m) 1.57 28.64 20.25 21.78 29.23 3.75 33.30 24.44 2.37 40.85 2.75 9.74 26.68 1.09 29.07 16.53 32.16 22.52 25.25 21.06 61.82 0.20 3.81 18.505 36.00 29.11 4.537 62.46 15.92 59.74 2.46 15.29 17.77 7.89 11.29 47.75 32.64 50.46 15.69 22.775 53.42 4.87 57.34 20.77 22.81 3.47 73.83 1.73 6.46 44.78 28.76 39.64 48.91 24.12 47.37 16.35 27.36 9.40 8.50 3.23 38.43 26.62 37.93 36.73 18.53 30.14 32.86 21.63 14.66 3.99 23.92 31.85 44.09 29.83 31.85 15.58 33.24 44.65 27.58 34.20 18.28 10.96 4.90 18. (11) Corrugaciones de 152.48 56.15 38.34 20.57 Cobertura mínima (m) COBERTURA MÁXIMA EN METROS Para los siguientes espesores de la lámina (mm) 2.32 64.68 16.55 44.24 14.87 28.98 2.68 17.04 26.59 2.50 41.01 36.41 13.58 34.25 21.15 67.86 51.90 3.54 14.50 42.66 33.04 26.63 13.50 12.21 47.05 3.67 10.30 24.45 9.66 34.8 mm (6 x 2)”.13 2.50 41.57 28.31 30.30 0.59 39.81 19.29 2.4 x 50.11 12.52 25.52 24.10 35.61 .53 8.30 53.85 43.325 71.38 22.87 28.42 19.13 25.14 32.57 28.52 1.29 17.164 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA XIV-5 LÍMITES PARA LA ALTURA DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA CIRCULAR DE CHAPAS ESTRUCTURALES Fuente: ref.19 11.88 34.35 3.99 24.44 54.04 26.27 4.769 24.49 35.267 47.29 17.31 31.20 18.68 5.19 4.112 80.08 23.72 13.42 19.69 52.16 22.46 0. 40 6.01 2.10 5.79 1.62 7.66 3.79 5.2 x 25.63 2.80 2. (11) Corrugaciones de 67.74 2.27 4.74 2.63 1. Carga viva H 20 LUZ Y FLECHA (m) 0.24 2.63 1.63 1.27 4.61X2.14 8.27 4.77 2.91 1.63x0.74 3.63 1.74 2.97X2.41X1.800 kg/m2 4.57 3.05 2.27x0.41 0.36 9.4 mm (3 x 1)”.31 6.33 0.01 2.77 3.53 8.92 7.88 4.46 0.83x1.90 2.31 7.91 1.63 2.600 kg/m2 8.57 4.01x1.65x1.10 0.7 mm (2 2/3 x ½)”.63 1.27 5.96 3.10 6.63 1.47x0.63 1.96 3.53 7.40 6.27 4.27 4.27x0.35 3.27 4.46x0.27 3.05 3.09x0.84 8.79 5.50 4.63 1.49 4.79 5.53 8. EN METROS PRESIONES DE APOYO ESQUINERAS 1.74x0.79 5.28 0.21X1.88 4.Drenaje vial para ingenieros viales 165 TABLA XIV-6 ALTURAS DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA ABOVEDADA DE ACERO CORRUGADO Fuente: Ref.600 kg/m2 9.40 5.51 COBERTURA MÍNIMA COBERTURA MÁXIMA.30 TABLA XIV-7 ALTURAS DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA ABOVEDADA DE ACERO CORRUGADO Fuente: Ref.10 5.18 4.57 3.79 1.40 2.61 .63 1.53 8.11 3.48X2.62 7.91x0.69 1.40 6.06X1.05 2.37 ESPESOR MÍNIMO DE LA LÁMINA (mm) 1.700 kg/m2 6.56x0.27 4.25X2.01 3.57 3.71 6. Carga viva H 20 LUZ Y FLECHA (m) 1.70 2.10 0.27 4.09x0.79 5.05 2.31 ESPESOR MÍNIMO DE LA LÁMINA (mm) 1.50 2.62X1.12 1.60 2.63 1.40 6.65x1.7 x 12.63 1.12 2. EN METROS PRESIONES DE APOYO ESQUINERAS 1.47x0.49 5.800 kg/m2 4.66 3.69 1.02 1.53 8.79 6.700 kg/m2 6.21 3.27 4.49 5.27 4.77 3.85X1.57 4.66 3. (11) Corrugaciones de 76.57 4.77 2.58 10.84X1.16x1.56 1.75 8.40 8.49 4.02 1.63 1.46 0.23 7.70 6.31 6.63 1.53 11.27 COBERTURA MÍNIMA COBERTURA MÁXIMA.70 6.66 3.79 5.74 2.83x1.63 1.31 6.30 0.53 7.77 2. 77 2.74 3.77 2.8 mm (6 x 2)” Carga viva H 20 Radio esquinero= 0.06 3.35 3. EN METROS PRESIONES DE APOYO ESQUINERAS 1.23 7.00x3.10 5.75 9.18 4.77 2.83 1.77 2.30 0.83 1.77 2.83 1.45 2.96 3.74 2.27 3.77 2.77 2.71 6.74 2.57 4.62 731 7.77 3.40 6.25X2.74 2.06 9.66 3.90 2.02 5.57 4.54 4.52 2.05 2.77 2.50 COBERTURA MÍNIMA COBERTURA MÁXIMA.76x2.61 0.77 2.66 3.88 4.77 2. (11) Corrugaciones de 152.05x3.75 2.77 2.62 4.05 3.77 2.71 6.44 2.77 2.91x2.76 .34 8.57 4.72 4.83x3.77 2.97X2.74 2.77 2.49 5.97 10.81x2.77 2.96 2.79 5.27 4.01 3.67 4.49x1.24x2.77 2.10 5.46 0.46 3.34 x2.77 2.88 4.67x2.01 6.40 1.800 kg/m2 5.82 4.85 2.40 6.79 5.77 2.96 3.49 5.88 4.50 2.77 2.40 6.74 2.4 x 50.66 3.31 3.90x1.26 3.77 2.35 3.05 3.72x2.166 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA XIV-8 ALTURAS DE LA COBERTURA PARA TUBERÍA ABOVEDADA DE CHAPAS ESTRUCTURALES Fuente: Ref.93x1.65 2.13x1.23 7.06X1.83 1.13 2.31 6.69x1.10 6.34x1.92 4.50 3.70 2.600 kg/m2 11.77 2.77 2.41 3.66 3.85X1.74 2.09x2.87 4.18 4.77 2.77 2.80 2.21X1.21 3.88 4.66 3.11 3.61X2.41X1.27 3.77x2.457 m LUZ Y FLECHA (m) 1.88 4.36 3.71 6.00 5.62 7.74 2.66 3.16 3.86x2.92 7.79 5.62X1.35 3.52x2.49 5.84X1.52 1.29x2.66 3.55 2.77 2.77 2.95 7.53 8.48X2.53 8.74 2.66 0.36 10.77 2.96 3.12x2.77 2.52 1.700 kg/m2 8.88 4.33x2.13 1.96 3.56 4.49 5.53x2.27 3.49 5.77 2.66 3.58 10.31 7.60 2.49 5.05 2.14 8.07 ESPESOR MÍNIMO DE LA LÁMINA (mm) 2.77 4.88 4.05 3.77 2.18 4. (V2/2g). INFORMACIÓN PREVIA Los datos previos necesarios para emprender el dimensionamiento de la sección de una alcantarilla son: a) Q= gasto de diseño en m3/s.Drenaje vial para ingenieros viales 167 CAPÍTULO XV PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR HIDRÁULICAMENTE LAS ALCANTARILLAS Existen programas de computación que realizan el cálculo hidráulico de las alcantarillas pero.3. En el Anexo B al final del libro se encuentran los gráficos y nomogramas indicados en el texto con la letra B y un número y.1. c) HEP= altura de agua permisible a la entrada de la alcantarilla. al final del trabajo. 15. Todos los resultados parciales se van anotando en la planilla de la tabla XV-1 de la siguiente página. obtenida del plano de planta. en metros.3 del capítulo XIII. en metros. estimada u obtenida según el punto 13. obtenida según los criterios expuestos en el punto 14. calculado según alguno de los métodos descritos en la primera parte de este trabajo.2. Se decide el tipo de entrada que se empleará mediante la tabla N° B-1.4 del capítulo XIV.1. Su coeficiente CE de pérdidas en la entrada indica su grado de eficiencia. al final de este capítulo. tanto con control a la entrada como con control a la salida. Selección del tipo de entrada Las pérdidas en la entrada se calculan como He= CE . e) S0= pendiente longitudinal de la tubería en m/m. El cálculo consistirá en encontrar un tamaño y tipo de tubería tentativos y encontrar la altura HE del agua necesaria en su entrada. además de no presentar grandes ventajas en cuanto a precisión de los resultados. resultando más convenientes desde el punto de vista hidráulico aquellas entradas con menor valor de CE. h) Tipo de entrada que se va a utilizar. IX-8 y IX-9 del capítulo IX. tablas y nomogramas mencionados en este punto se refieren a los mostrados en el Anexo B. d) HS= altura del agua en la salida. en metros.5 del capítulo XIV y las tablas IX-7. Los tipos (1). 15. 15. El procedimiento se lleva a cabo mediante el uso de la planilla mostrada en la tabla XV-1. f) Vs= velocidad permisible del agua en la salida de la tubería en m/s. que suele ser exigida por los revisores del proyecto. sin tener en cuenta la parte correspondiente a los cabezales. según el punto 14. medida en la planta del proyecto. lo cual debiera llevar a una mejor comprensión del problema. se ha incluido un diagrama de flujo para facilitar la tarea del cálculo. parece más conveniente mostrar el procedimiento manual. b) L= longitud de la tubería. (2) y (3) de los nomogramas de control a la entrada corresponden a los .2 PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO Todos los gráficos. g) Tipo de tubería elegido para la alcantarilla. No se recomienda el “chaflanado de acuerdo con talud” en los tubos de metal corrugado ni la “campana saliente” en los tubos de concreto. utilizar: Q´= Q/N. XV-1: 1. se adopta el inmediatamente superior. donde B es el ancho del cajón. Si el diámetro seleccionado no fuera conveniente por ser demasiado grande para la altura del terraplén. se corta la correspondiente a la altura o diámetro D y se lee el tamaño que le corresponde. en lugar de Q. calculando su altura D siguiendo el mismo procedimiento y empleando un gasto de diseño Q´. Se une este punto con el correspondiente al gasto de diseño Q. En los cajones la 3. se traza una línea horizontal hasta encontrar la línea vertical correspondiente al tipo (1). 4. el gasto unitario Q/B. Entrando en con la relación HE/D= 1. En el caso de los cajones de concreto se emplea. 2. Si la lectura cayera entre dos tamaños redondea a los 5 cm superiores. Prolongando esa línea. 5. Entre los nomogramas de control a la entrada B-1 a B-4 del apéndice B se busca el correspondiente al tipo de tubería seleccionado. según la entrada seleccionada. 15. se prueba con: a) otra relación HE/D (si se acepta una mayor).168 Drenaje vial para ingenieros viales HE/D TIPO (1) (2) (3) 1.2 (o cualquier otra que se adopte) en la línea vertical del tipo (1). de las figuras que aparecen en la parte inferior de los mismos. b) emplear varios tubos menores.2 Selección del diámetro tentativo Una vez decidido el tipo de tubería y la entrada que se van a emplear se busca D mediante el procedimiento mostrado en la fig.2 Q Q diseño DIÁMETRO BUSCADO Figura XV-1: búsqueda del diámetro tentativo. c) si se está utilizando alcantarillas de tuberías comerciales. . o por cualquier otra causa. (2) o (3).2. las cuales tienen menor altura para igual área útil. material.LS0) CE H (m) dC (m) dC+D 2 HS (m) h0 LS0 (m) (m) HE (m) HE veloci dad de salida (m/s) ASTO DE DISEÑO m3/s m m OFUNDIDAD DEL AGUA A LA SALIDA RGA PERMISIBLE A LA ENTRADA OGRESIVA TA DE RASANTE DE LA CARRETERA TA RASANTE ENTRADA ALCANTARILLA NDIENTE ALCANTARILLA estimada / definitiva NGITUD DE LA ALCANTARILLA LCANTARILLA: tipo. número de tubos. __________ REV. . 6. (max) (m) OBSE CIO ONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: __________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ secciones abovedadas. descripción la entrada. etc.Drenaje vial para ingenieros viales 169 altura se igual al gasto de diseño Q dividido por el número N de tubos que se piensa tener En las metálicas. Se anota el resultado en la planilla N° XV-1. se podría intentar solucionar el problema utilizando OYECTO: _____________________ TABLA XIV-1 ________________________ CALC. _________ HOJA___ D ___________________________________________________________________ FECHA__________ FECHA_________ CROQUIS ECUENCIA DE DISEÑO F: AÑOS Q: HS: HEP: : : : S0: L: m m % m CÁLCULO DE LA CARGA EN LA ENTRADA (he) Q m3/s TAMAÑO CONTROL A LA ENTRADA HE HE/D (m) CONTROL A LA SALIDA (HE= H + h0 . XV-2). que está también descrito en los nomogramas. CÁLCULO DE HE CON CONTROL A LA ENTRADA A continuación se procede. obteniéndose la altura HE con control a la entrada.4 Cálculo de la carga H en alcantarillas con control a la salida La altura HE con control a la salida se calcula mediante la ecuación [XIII-3]. corte a la línea vertical del tipo (1). el tamaño encontrado se redondea hacia arriba y la relación HE/D resulta diferente a la asumida anteriormente.9. generalmente. se revierte la operación anterior: utilizando los mismos nomogramas la altura o diámetro D escogido (fig. Desde allá. la cual está resuelta en los nomogramas B5 al B10 del Anexo B. se traza una recta que. Para ello y partiendo de pasando por el con una línea seleccionado. si resultara mayor. se cumplirá que la relación HE/D será menor que la asumida inicialmente. 15.2. se debe recomenzar utilizando un tamaño mayor de tubería o más de una tubería. gasto de diseño Q. es preciso realizarla pues.170 Drenaje vial para ingenieros viales 15. Si se redondeó D hacia arriba. El procedimiento. Se lleva este valor a la planilla XV-1 y se multiplica por D. a obtener la altura HE verdadera . se corta la línea del tipo de entrada que se haya Aunque esta operación pareciera la repetición de la realizada para determinar el primer diámetro tentativo. horizontal.1. encontrándose en primer lugar la carga H necesaria. mediante la ecuación XIII-2. es el siguiente (figura XV-3): . la cual también se anota en la planilla. HE/D TIPO (1) (2) (3) D Q HE/D Q diseño DIÁMETRO ESCOGIDO Figura XV-2: determinación de la relación HE/D. Se compara el HE calculado con la altura HEP permisible y. 5.5 Obtención de la profundidad crítica dc La profundidad crítica dc es la del flujo en la tubería seleccionada. Se entra con el gasto Q. en diámetros para las tuberías circulares y en dimensiones BxD para las abovedadas. cortando la línea base. El gráfico B3.2. que ocupa dos páginas. Figura XV-3: obtención de la carga H necesaria.2. 15.6 . En los diferentes nomogramas. 15. presentando las curvas para los diferentes tamaños comerciales BxD. La altura h0 • 15. medida sobre la curva que corresponda al CE de la entrada adoptada. b) Como se puede ver. pero la tarea se dificulta con las secciones abovedadas. Para facilitar el trabajo. en el Anexo B se presentan los gráficos B1 a B3. en los nomogramas B5 a B10 hay dos o tres curvas correspondientes a los coeficientes CE y sobre ellas se muestra una escala de la longitud L de la tubería.2. donde se encuentra la carga de agua necesaria para que el gasto de Q diseño L en el CE seleccionado Intersección diseño pase por la tubería seleccionada. partiendo del gasto de diseño Q y pasando por la intersección anterior. • • El gráfico B1 da la profundidad crítica de un canal rectangular entrando con el gasto unitario Q/b (b= ancho del canal) El gráfico B2. Obtención de la Profundidad crítica dc Es fácil calcularla para cajones rectangulares y secciones circulares. la escala de la recta correspondiente a D está graduada según el tipo de tubería: en área para los cajones de concreto.Drenaje vial para ingenieros viales 171 a) De la tabla B1 se obtiene el coeficiente CE de pérdidas correspondiente a la entrada seleccionada y se anota en la planilla. se corta la curva del diámetro que nos interese y se obtiene dc. da la profundidad crítica para las secciones abovedadas. c) Se une con una recta la dimensión de la tubería seleccionada con la longitud L del tubo. Q D Línea de base CE2 D tentativo CE1 H H buscada d) Se traza una recta que. presenta las curvas de profundidad crítica para tuberías circulares correspondientes a los diámetros comerciales. corte la línea H. también en dos páginas. el más desfavorable. se tomará uno de estos valores: dc + D ⇒ h0= HS. habrá mayor riesgo de que se produzcan daños e inundaciones. entonces se dirá que la alcantarilla funciona con control a la salida. si HS < c ⇒ h0= c 2 2 1. Si.4 del capítulo XII.2 del capítulo XIII. HE= H + h0 – LS0 Se compara la altura de agua obtenida con la permisible y si HE>HEP habrá que repetir el proceso desde el principio con un diámetro mayor o aumentando el número de tuberías. por el contrario.9 Cálculo de la velocidad del agua en la salida Se calcula la velocidad del agua en la salida tal como se describió en el punto 12. 15.2. si HS > La situación más frecuente es que el flujo se desparrame al salir de la tubería. Después de calculada. Por lo tanto. Este dato se anota en la columna de observaciones de la planilla ya nombrada. se ha determinado que la altura de la línea de energía en la salida está comprendida entre dc y D. Cuando la salida del agua no está sumergida.7 Cálculo de la altura de agua HE necesaria en la entrada Se calcula LS0 y se aplica la ecuación XIII-5.172 Drenaje vial para ingenieros viales La altura de referencia h0 ha sido suficientemente descrita en el punto 13. Cuando la salida de la alcantarilla está ahogada (HS>D). Se adoptará como definitivo el mayor de ellos. 15.8 Altura definitiva del agua a la entrada En la planilla de cálculo se tendrá dos valores de HE: con control a la entrada y con control a la salida. se puede admitir que la altura de la energía específica está cercana a la superficie del agua. Si la altura HE adoptada corresponde al flujo con control a la entrada.2. por lo que aquí solamente se describirá el procedimiento de su obtención. resultando la situación N° 2 a efectos del cálculo. la determinación de h0 se hace de la siguiente manera: A.3. corresponde al flujo con control a la salida.2. se compara con la velocidad máxima permisible y se toman las decisiones pertinentes. obteniéndose la altura de agua necesaria a la entrada para que pase el gasto de diseño Q. 2 d +D d +D 2. Si la salida de la alcantarilla no está sumergida (HS<D). . es decir. Si la salida de la alcantarilla está sumergida (HS>D) ⇒ h0= HS B. 15. ya que si el agua debe llegar a mayor altura para que la alcantarilla funcione satisfactoriamente. se dirá que la alcantarilla funciona con control a la entrada. 9. las características del tubo y su pendiente s0.2.2. se 4.5 del gráfico B-9. se encuentra en el lado opuesto la relación Vsalida/Vplena. con una recta horizontal.5 con ese valor en la columna Q/Qp 42” 36” 3. desde allá.1. se intercepta la 96” 84 recta correspondiente al diámetro de 36” Gasto a sección plena e. se dispone del gasto q. Alcantarillas con control a la salida Si la salida está sumergida la tubería funcionará a sección plena. Alcantarillas con control a la salida La velocidad a la salida se calculará como la velocidad normal que adopte el flujo al final de la tubería. interpolando. pero ahora A es el área de la sección transversal del flujo correspondiente a la altura crítica. con los cuales se puede entrar en los gráficos b-4 al b-8 del anexo b.9. Multiplicándola por la plena que ya se velocidad obtuvo.Drenaje vial para ingenieros viales 173 15. 15. Según se explica en la figura XV-5 de la siguiente página. se encuentra su gasto a sección plena. calculado según la ecuación de manning. donde Q es el gasto de diseño y A es el área de la sección del tubo. se calcula la relación Qdiseño/Qplena y. paralela a las de las velocidades. para los canales rectangulares es muy fácil aplicar la ecuación de manning y encontrar el resultado. xv-4) se corta la recta correspondiente al tamaño de tubo y. se obtiene la velocidad del flujo a sección plena.0 plena 4. que son la solución a la ecuación de manning. Si la alcantarilla tiene la salida no sumergida. para otras secciones.0 Figura XV-4: uso de los gráficos de Q y V a sección plena (Manning).2. Para encontrar la velocidad en la salida se utilizarán de nuevo los . la velocidad del agua se calculará también como V= Q / A. Pendiente encuentra la velocidad a la salida. llevando una recta inclinada. por lo que la velocidad V del agua se calculará como V= Q / A. en el gráfico b-9 se muestran las relaciones hidráulicas para tuberías circulares y abovedadas entrando con la pendiente s0 (fig. entrando 72” 60” 54” 48” Velocidad a sección 5. . construir un enrocado que proteja el suelo. métodos que se describirán en la parte correspondiente al mantenimiento. la solución lógica es disponer un disipador de energía a la salida del tubo o. En los casos en que no se puede controlar la velocidad mediante cambios en la tubería. Pero. (10) D A dc Figura XV-6: sección correspondiente a dc. puesto que la profundidad crítica no depende de las características del tubo.174 Drenaje vial para ingenieros viales D d Q/QP 100 105 107 CE 108 107 105 d/D 100 V/VP 100 105 110 111 112 90 CS 113 114 100 80 Q = gasto de diseño QP= gasto a sección plena V = velocidad a la salida Vp= velocidad a secc. plena Figura XV-5: elementos hidráulicos. cuando el control está en la salida es poco lo que se puede hacer. si la velocidad no fuera demasiado alta. Fuente: Ref. ___ ___________________________________________________________________ PROGRESIVA Q DISEÑO CANAL DE SALIDA FECHA _________ FECHA__ HE L ALCANTARILLA HS L HE HEP 1 b k n S0 H TAMAÑO Y COTA RA . se llena una planilla como la mostrada en la tabla XV-2 de la siguiente página. __________ REV.Drenaje vial para ingenieros viales 175 15. En la figura XV-7 se muestra un diagrama de flujo que puede ayudar al proceso de cálculo. TABLA XIV-2 RESUMEN DE ALCANTARILLAS PROYECTO: ________________________________ ________________________ CALC.2.11 Resumen de alcantarillas Al terminar el proyecto de las alcantarillas. Sal. .176 Drenaje vial para ingenieros viales m3/s m (m) (m) DESCRIPCIÓN (m) (m) Ent. (B-1 a B-4) COLOCAR N TUBOS. Q´= SÍ Q/N NO ¿ Aumento de HE/D? NO ¿D demasiado grande? SÍ ¿cambio a abovedado? SÍ SÍ CÁLCULO DE H con D. L yQ (nomogramas B-5 a B-10) NO dc + D 2 ¿HS> dc + D ? 2 SÍ h 0 = HS NO h 0= NO dc + D 2 β α Figura XV-5: Diagrama de flujo para el dimensionamiento hidráulico de alcantarillas convencionales .Drenaje vial para ingenieros viales 177 DATOS PREVIOS: Q (m 3/s) L (m) HEP (m ) S 0 (m/m) HS (m) V perm (m/s) Tipo tubo α γ AUMENTAR DIÁMETRO O NÚMERO DE TUBOS HE/D (nomogramas B-1 a B-4) NO Control entrada HE CE HE CE ≤ HEP SÍ TIPO ENTRADA (tabla B-1) dc (Calculado o de gráficos B-1 a B-3) CE SÍ ¿HS ≥ D? TAMAÑO TENTATIVO: Con HE/D en nomogramas NO de control ent. C E . (Continuación) .S0 γ H+h0-L.S0 Control salida HECS= ¿HECS > HEP? NO SI MAYOR DIÁMETRO O MÁS TUBOS ¿HECE < HECS SÍ CONTROL A LA SALLIDA ¿SALIDA SUMERGIDA? NO SÍ HE= HECS VS= Q/A NO CONTROL A LA ENTRADA HE= HECE Con D y S0 en gráficos B-4 a B-8 VP QP y VP con D y S0 de gráficos B-4 a B-8 VS/VP Con dC/D de gráfico B-9 Vs/VP con Q/QP de gráfico B-9 VS= (VS/VP) x VP ¿VS ≤ VPERM? NO Medidas de protección SÍ FIN Figura XV-5.178 Drenaje vial para ingenieros viales β L. Drenaje vial para ingenieros viales 179 CAPÍTULO XVI PROCESO DEL PROYECTO DE DRENAJES La hidráulica interviene en el proyecto de carreteras desde la ingeniería conceptual hasta la de detalle. En la etapa de estudio de factibilidad, el ingeniero detecta posibles problemas hidráulicos y establece con cierta aproximación el número y tamaño de las obras hidráulicas resultantes de una proposición. En el proceso inicial del proyecto, es necesaria la presencia de los ingenieros hidráulicos en el estudio y selección de ruta para determinar qué condiciones hidráulicas de la región pueden representar restricciones al trazado de la futura carretera, tal como zonas anegadizas, zonas pasibles de erosión, cruces de ríos, etc. También tiene injerencia el ingeniero hidráulico en el estudio del impacto ambiental, obligatorio hoy en día para todos los proyectos. Esos temas no se consideran pertinentes en un trabajo dirigido a los ingenieros viales ya que, para esas tareas, generalmente se precisa de un profesional con experiencia tanto en drenaje vial como en hidráulica fluvial y mantenimiento de cuencas. Tal como el proyecto geométrico de la vía, la ingeniería de detalle del drenaje se divide en dos etapas: el anteproyecto y el proyecto propiamente dicho. Lo tratado en este capítulo solamente es indicativo, sin pretender ser excluyente ni exhaustivo. 16.1 EL ANTEPROYECTO En la etapa del anteproyecto el ingeniero presenta al ente contratista lo que pretende hacer para solucionar el problema del drenaje de la carretera. En efecto, no tendría sentido que el ingeniero desarrollara un proyecto con todo detalle para que, cuando el ingeniero inspector del proyecto lo revise, sea rechazado por no estar de acuerdo con el planteamiento inicial. El anteproyecto de los drenajes se desarrolla sobre el anteproyecto geométrico de la vía, en el cual se plantean para su discusión y aprobación el trazado horizontal y el perfil longitudinal. Como consecuencia, los radios y transiciones de las curvas horizontales, las pendientes, las longitudes de las curvas verticales, etc., son pasibles de modificaciones. En este momento todavía los planos no tienen trazadas las curvas de pavimento y pueden no estar definidos los cortes y terraplenes en la planta, por lo que aún no se dispone de los elementos necesarios para plantear soluciones exactas del drenaje. En esta etapa el ingeniero hidráulico obtiene la información previa necesaria y establece los criterios y parámetros fundamentales que se van a adoptar en el cálculo del proyecto y se plantean las soluciones para el drenaje vial. Una vez en posesión de los planos del anteproyecto vial se debe: 1. Realizar uno o varios viajes de inspección a la zona para verificar las condiciones naturales; constatar la presencia de estructuras de drenaje existentes; determinar la cobertura vegetal de las diferentes hoyas; verificar 180 Drenaje vial para ingenieros viales las características topográficas de la zona, examinar los cursos de agua existentes y obtener toda la información que se pueda recabar. 2. Obtener información pluviométrica de los registros de alguna estación hidrometeorológica de la zona, buscar curvas de intensidad-duraciónfrecuencia (IDF) aplicables al proyecto, etc. 3. Determinar las frecuencias de diseño de las lluvias a utilizar para la obtención de los gastos de diseño, de acuerdo con el grado de protección que se pretende dar. 4. Decidir qué tipo de tubería se va a emplear en la construcción. Es conveniente que el proyecto tenga, si es posible, un solo tipo de tubería, pues ello facilita la construcción y el mantenimiento. Suele resultar necesario intercalar algunas alcantarillas diferentes como, por ejemplo, cajones de concreto entre las tuberías de metal corrugado. 5. Determinar sobre los planos de anteproyecto la ubicación aproximada de las alcantarillas, cunetas, canales y otras estructuras de drenaje necesarias. Como se dijo, estos resultados tienen carácter provisional hasta tanto se desarrolle el proyecto definitivo. 6. Trazar las divisorias de las hoyas resultantes, medir sus áreas, determinar los tiempos de concentración, establecer los coeficientes de escorrentía de acuerdo con las características de cada hoya, etc. 7. Calcular los gastos de diseño de cada hoya empleando la fórmula racional o cualquier otro método, según sea el caso. 8. Encontrar un diámetro tentativo para cada alcantarilla. Para ello, se comienza estableciendo la altura permisible a la entrada HEP. Con esta altura y suponiendo que la tubería va a funcionar con control a la entrada, se encuentra el diámetro necesario mediante los nomogramas de alcantarillas correspondientes al control a la entrada que se dan en el Anexo B, para lo cual se puede seguir el procedimiento descrito en el punto 15.2.2. del capítulo XV. 9. En las zonas rurales, plantear las cunetas, canales y estructuras del drenaje longitudinal, predimensionándolos cuando ello sea posible. 10. En las zonas urbanas, se planteará la ubicación tentativa de los sumideros, el sistema de tuberías y la descarga del mismo. 11. Si en el anteproyecto vial se encontrara algún elemento que impida o dificulte el drenaje eficiente, tal como pendientes longitudinales inapropiadas, puntos bajos problemáticos, alturas de relleno insuficientes, etc. se debe notificar al ingeniero vial proponiéndole las modificaciones que se consideren convenientes para mejorar el proyecto. 12. Redactar una memoria descriptiva en la que se haga constar todo el proceso realizado, las razones por las que se adoptaron los criterios de diseño y los resultados obtenidos. Drenaje vial para ingenieros viales 181 16.2 PROYECTO DEL DRENAJE TRANSVERSAL Una vez discutido el anteproyecto con el ente contratante y aceptado por este, se procede a la elaboración del proyecto. Para el momento de comenzarlo se debe disponer del proyecto vial con la geometría completa, la topografía modificada, las curvas de pavimento trazadas y las líneas C y T de los taludes dibujadas. Con esos elementos se procede a revisar lo hecho en el anteproyecto, teniendo en cuenta que todo está bajo observación y posible corrección. Puede encontrarse, por ejemplo, que las curvas de pavimento muestren puntos bajos no detectados en el anteproyecto; tal vez la altura de alguno de los rellenos no sea suficiente para permitir el paso de la tubería; se puede encontrar que, donde se supuso la existencia de un terraplén, se encuentre un corte; puede ser que resulte más fácil o económico desviar un curso de agua mediante un pequeño canal que construir una alcantarilla; tal vez aparezcan terraplenes no previstos anteriormente, por lo que haya que disponer una alcantarilla más y dividir la hoya original en dos sub-hoyas afluentes a las nuevas tuberías; tal vez resulte conveniente eliminar una alcantarilla y trasvasar su gasto de uno a otro curso de agua mediante un canal; es usual que la posición inicial de las tuberías deba ser Cota entrada desplazada como consecuencia de Cabezal Corte la delimitación del talud del terraplén; pueden aparecer vaguadas que desaguan sobre un L Tubería talud de corte, al que habrá que proteger; etc. Como ya se sabe, los proce- Terraplén Cabezal Cota salida dimientos para encontrar el gasto de diseño son probabilísticos, por lo que siempre existe la posibilidad de que ese gasto sea superado durante el Figura XVI-1: tubería en terraplén. periodo de diseño. Aunque no es una práctica corriente en Venezuela, el costaría brindar una mayor protección a la vía y, si esa diferencia de costo es dimensionamiento de las alcantarillas asequible, brindarle una mayor protección. se debiera hacer tanto para el gasto de diseño como para gastos de 182 Drenaje vial para ingenieros viales A continuación se muestra el proceso del proyecto definitivo de las alcantarillas, el cual no es exhaustivo ni excluyente: aguas arriba quede en el nivel del curso de agua a que va a dar paso y su boca de aguas abajo quede apoyada en el cauce natural, teniendo en cuenta los cabezales. Esto es, que comience y termine en las esquinas del talud de relleno aguas arriba y abajo (fig. XVI-1). b) En caso de que haya que disponerla por encima o fuera del cauce, se deberá tener en cuenta la estructura que permita la disposición de las aguas sin producir daños a los suelos. c) Si es necesario enterrar la entrada de la tubería para obtener la profundidad suficiente por debajo de la calzada, se puede usar una tanquilla de concreto. d) Pueden ocurrir innumerables casos más no previsibles de antemano y será tarea del ingeniero buscarles solución. e) Se medirá con escalímetro la longitud L de las tuberías excluyendo los cabezales y se leerá mediante las curvas de nivel sus cotas de entrada y salida. Con esos datos, se calcula la pendiente longitudinal (fig. XVI-1): S0= (Cota entrada – cota salida) / L. f) Se llena con los datos de que ya se dispone la planilla mostrada en la tabla N° XVI-1 y, mediante el uso de los nomogramas mostrados en el Anexo B, se halla los tamaños de tubería necesarios tal como se describió en el capítulo XV. g) En los casos en que la velocidad del agua en la salida sea muy alta, se debe disponer un enrocado o, tal vez, un disipador de energía más sofisticado. h) Una vez dimensionadas las alcantarillas, se llena la planilla de “Resumen de alcantarillas” mostrada en la tabla XVI-2 (10). 16.3 PROYECTO DEL DRENAJE LONGITUDINAL Durante el proceso de proyecto de las alcantarillas se va detectando la necesidad de disponer pequeños canales laterales que impidan que las aguas, al correr libremente por la plataforma de la vía, produzcan daños. 1. Después de ubicado el canal en los planos de planta, se debe delimitar la hoya afluente y calcular el gasto de diseño según alguno de los métodos descritos, generalmente la fórmula racional. Se levanta el perfil longitudinal a lo largo de su recorrido y, una vez dibujado, se procede al dimensionamiento. En esta etapa se debe decidir el tamaño, la forma y, si la velocidad del agua resultara excesiva o el espacio fuera insuficiente, se decidirá su recubrimiento y el material a emplear. 2. Se debe verificar que exista el espacio suficiente a los lados de la carretera pues, de no haberlo, habrá que procurarlo ampliando el ancho de la plataforma, para lo cual se debe contar con el ingeniero vial. No se debe olvidar disponer defensas que protejan a los vehículos en caso de accidente. a) Siempre que se pueda, se proyectan las alcantarillas de forma que su boca de Drenaje vial para ingenieros viales 183 3. Se debe evitar que las aguas corran por el pie de los taludes de corte para impedir la formación de cárcavas. Donde resulte necesario, se proyectarán cunetas de concreto con capacidad suficiente para disponer el gasto de diseño, aunque en muchos casos no es necesario calcularlo, ya que las hoyas afluentes suelen ser de muy pequeño tamaño. Si el gasto puede ser considerable o se tiene dudas acerca de su tamaño, debe ser calculado para asegurar el buen funcionamiento del sistema. 4. Se debe revisar también el pie de los terraplenes: en ocasiones, al interrumpirse el drenaje natural, las aguas tienden a correr por el pie del talud de relleno, socavándolo. En esos casos se debe disponer una zanja interceptora que lo impida, la cual, en las zonas planas y amplias, probablemente pueda ser excavada de forma fácil y económica con sección triangular mediante el uso de un patrol o bulldozer. 5. En otras ocasiones, en la intersección del terraplén con el terreno natural se pueden producir puntos bajos en los que, con las lluvias, se formarán charcos o pequeñas lagunas que pueden saturar el relleno con resultados negativos. Esos casos tienen dos posibles soluciones: o se hace lo que se conoce como un VAGUADA CUNETAS DE CORONA “relleno CAÍDA Talud de corte extendido” emparejando la superficie con pendiente que permita la salida de las aguas o se hace una CUNETA cuneta que drene el charco formado. 6. Otra fuente de futuros problemas es el agua que escurre por las laderas y llega a los taludes de corte. Si el gasto Figura XVI-2: protección de los taludes de corte. afluente es alto se formarán cárcavas, chorro. Para prevenir este problema se construyen las que se conocen como cunetas de corona. Estas cunetas corren sensiblemente paralelas a la cabeza del talud, por encima de él, y disponen la escorrentía superficial en las cunetas de la vía o directamente en los cursos de agua. Como la intersección del talud de corte con la ladera tiene grandes pendientes, estas cunetas se suelen revestir de concreto. Se debe revisar si la descarga de estas cunetas debe ser protegida mediante revestimiento o enrocados. 7. También se debe proteger mediante cunetas el pie del talud en las terrazas con que se construyen los taludes de corte de gran altura. 8. Otras veces, por la forma de la ladera, se forma una vaguada que es interrumpida por el talud de corte, corriendo las aguas por dicho talud. En esos casos hay que protegerlo mediante una torrentera o la solución más conveniente para el caso (figura XVI-2). 9. En ningún caso de debe permitir la formación de chorros de agua que corran libremente, por lo que se debe revisar el proyecto y disponer estructuras de 184 Drenaje vial para ingenieros viales concreto que lo impidan, tales como torrenteras, caídas, cunetas, etc. En este sentido, se advierte que los brocales dispuestos en el borde superior de los terraplenes para impedir que el agua corra por los taludes de relleno presentan el peligro de generar chorros de agua si, por accidente, se llega a romper dicho brocal. A menos que haya un motivo especial, suele resultar más sano dejar que la lámina de agua corra libremente por el talud antes que concentrarla en una cuneta mediante ese brocal. Drenaje vial para ingenieros viales 185 SEXTA PARTE ALCANTARILLAS CON ENTRADA MEJORADA 2% (22). Por la mera adición de este chaflán en una alcantarilla convencional. entradas ensanchadas lateralmente y entradas con aumento de pendiente. La capacidad de una alcantarilla con control a la entrada depende del grado de contracción del flujo que se produzca en ella. Como ya se dijo.00 m de longitud se logró disminuir el diámetro de 1. las alcantarillas pueden trabajar con el control del flujo en la entrada o en la salida del tubo y se produce la mayor capacidad cuando el control está en la salida.95 m y longitud de 823.25x3. con ahorros que aumentan cuanto mayor sean su tamaño y longitud.60x3. en una tubería de 60.1 TIPOS DE ENTRADA MEJORADA Las entradas mejoradas son de tres tipos: entradas con bordes achaflanados. pues en ese momento la tubería funciona a sección plena o casi plena.1. obteniéndose con ello una reducción de la contracción del flujo en la entrada.60 con un ahorro del 38. Pero no solamente se puede obtener ahorros en la construcción de alcantarillas nuevas: también estas entradas mejoradas se pueden utilizar para aumentar la capacidad de tuberías existentes sin tener necesidad de interrumpir el tránsito para sustituirlas. metálicas. obteniéndose un ahorro del 72. 17.1.5%. por lo que su mejora debe dirigirse a disminuir esa contracción y aprovechar el desnivel entre ambos extremos de la tubería. En ese sentido. mientras que el tamaño de un cajón rectangular de concreto de tres celdas de 4.37 m a 1.52 m y longitud de 42. Por ejemplo.7% (22). El mayor incremento se obtiene en cajones con aristas vivas y el menor en alcantarillas con cabezal y aletas. De esa manera se obtienen tamaños menores de la tubería. se logra incrementar su capacidad entre un 5% y un 20%. concreto se obtienen los mismos resultados colocando la campana de los tubos hacia aguas arriba. adaptación y traducción de la referencia (22). . 17.22 m con un ahorro del 12. se debiera utilizar este tipo de entrada tuberías en por todas En las de las alcantarillas concreto tuberías o de compuestas cajones Figura XVII-1: borde achflanado. Puesto que ello no reporta mayores CHAFLÁN DIRECCIÓN DEL FLUJO costos. cuya lectura recomendamos.186 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XVII GENERALIDADES El contenido de esta parte es una selección.00 m para evitar su sustitución por un diámetro mayor. se mejoró la entrada de una tubería de metal corrugado de φ 1. Bordes achaflanados Se sustituye la arista viva del concreto con un chaflán.50 m se disminuyó a dos celdas de 3. La sección transversal de la intersección de las paredes laterales del ensanchamiento con los bordes de la alcantarilla se llama la garganta. tal como se puede ver en la figura XVII-2 de la siguiente página. Para aumentar aún más esta altura. Las ventajas de las alcantarillas funcionando con el control en la garganta son que se reduce la contracción del flujo y. Entradas ensanchadas lateralmente El segundo grado de mejora se obtiene mediante las entradas ensanchadas lateralmente.Drenaje vial para ingenieros viales 187 17. se puede disponer una depresión o caída aguas arriba de la cara del tubo (figura XVIII-5). Su piso y su tope son una extensión de los de la alcantarilla. . para una cota de agua dada. La cara aguas arriba de esta entrada es más ancha que el tubo y conserva su altura D.1.2. la altura en la garganta es mayor. lo que le proporciona un área mayor que la de la tubería de la alcantarilla. En este tipo de entrada se pueden presentar dos secciones de control: en la cara de la entrada o en la garganta. 188 Drenaje vial para ingenieros viales GARGANTA 5. la pendiente del tubo menor alcantarilla convencional o una con ensanchamiento lateral únicamente. 17. se debe hacer la sección transversal de la cara lo suficientemente grande como para evitar que el control se establezca en ella. Entrada con aumento de pendiente. . con lo que puede aumentar su capacidad ENSANCHAMIENTO hasta un 100% con relación a una alcantarilla convencional con aristas vivas (figura XVIII-6).1. Ante la posibilidad de que el gasto de diseño sea superado durante la vida útil de una alcantarilla. especialmente aquellos que superan el gasto de diseño. CARA ALETAS Bf L1 B La ventaja de este tipo de entrada sobre el anterior es que la altura de agua es mayor cuando el control está en la garganta.S S D la salida del tubo. y esto es válido tanto para las entradas mejoradas como para las convencionales. (22) la cara como en la garganta pero. El incremento de altura de agua está limitado por el desnivel disponible entre la entrada y CARA PLANTA Ht Hf CHAFLÁN GARGANTA L1. Como consecuencia de la caída que entre en la una cara y la es garganta. El control puede estar tanto en PERFIL Figura XVII-2: entrada ensanchada lateralmente. es necesario que el proyectista conozca su modo de funcionamiento para diferentes gastos. como la alcantarilla es más eficiente cuando el control está en la garganta. Fuente: Ref..2 CURVAS DE OPERACIÓN El diseño de las alcantarillas se debe hacer teniendo en cuenta el riesgo de daños a la vía y a las propiedades aledañas. La capacidad se ve afectada. Así pues. si se cambian las dimensiones de la tubería o de la entrada. que la curva de operación resultante se forma con los gastos menores. a la cual se le Figura XVII-3: Curvas de operación. una altura de agua cualquiera cortará las curvas de operación de cada posible sección de control. si la hubiera. Es decir. el control del gasto está en la cara y por ella no podrá pasar el gasto 2 ni el 3. para esa altura. Fuente: Ref. . se producirán nuevas curvas. en ese caso.Drenaje vial para ingenieros viales 189 En las alcantarillas convencionales. correspondientes a frecuencias mayores. solamente se puede producir el gasto 1. a la salida. La curva de la figura XVII-3 correspondería a una cierta solución pero. por último. es conveniente verificar su comportamiento para gastos mayores al de diseño. la comparación es algo más CAPACIDAD Q Control en la cara Control en la garganta Control a la salida Curva de operación complicada pues. En las alcantarillas con entrada decisiones mejorada. conforme aumenta el gasto. el control del flujo va pasando de la cara aguas arriba a la garganta y. por la caída de la entrada. pero. ya que. el ingeniero puede decidir 1 2 3 si la y inversión tomar necesaria las para obtener ese margen de seguridad es aceptable correctas. (22) puede dar diferentes alturas. para comprender el funcionamiento de las alcantarillas con entrada mejorada y poder comparar la eficiencia de las diferentes posibilidades se hace necesario obtener curvas de operación de la alcantarilla. Con este conocimiento. Según se puede ver en la figura XVII-3. las cuales se dibujan en el mismo gráfico para poder compararlas y adoptar la solución más conveniente. con lo que se obtienen tres gastos diferentes. también. correspondientes a los segmentos de curva situados más a la izquierda. el menor. El dimensionamiento de este tipo de entrada se hace de forma semejante al de las alcantarillas convencionales. ensanchadas lateralmente y con aumento de pendiente. Fuente: Ref. PLANTA PLANTA PERFIL PERFIL S0 PLANTA S0 PLANTA PERFIL PERFIL S0 Cresta del vertedero Cresta del vertedero s0 ENSANCHADAS LATERALMENTE AUMENTO DE LA PENDIENTE Figura XVIII-1: Tipos de entradas mejoradas para cajones de concreto.5:1 (33. utilizando los nomogramas C-1 a C-3 de Anexo C. las entradas mejoradas pueden ser de tres tipos: aristas achaflanadas.190 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XVIII ENTRADAS MEJORADAS EN CAJONES DE CONCRETO Como ya se dijo. 18.0. Los gráficos y nomogramas que se utilizan para su dimensionamiento aparecen en el Anexo C. (22). Es de hacer notar que estos nomogramas son aplicables únicamente para chaflanes con inclinación de 1:1 (45°) y 1. En la figura XVIII-1 se muestran las posibilidades de estas dos últimas opciones.1 ENTRADA CON BORDES ACHAFLANADOS El chaflán se debe disponer tanto en la arista del techo como en las de las paredes del cajón.5<B/D<2. La relación de ancho B a alto D para la aplicación de los nomogramas abarca un rango de 0.7°) y sus dimensiones dependen del tamaño del cajón. Los nomogramas son los siguientes: . Nomograma C-2: entrada en esviaje. Dimensiones de los chaflanes Las dimensiones mínimas de los chaflanes de un cajón d b de ancho B y alto D se calculan según su Chaflanes: superior d= 0.1. de 10 cm. laterales b= 0.7°: Chaflanes: superior d= 0.1. Nomograma C-3: aletas de 18° a 45°.042D.5 cm y.042B pendiente y posición.083B En el tope.1. Pendiente de 33. por lo que para .2. laterales b= 0.083D. Cajones de varias celdas En el caso en que se deba proyectar alcantarillas con más de una celda. Pendiente de 45°: XVIII-2: del Q Fig. en los laterales.Drenaje vial para ingenieros viales 191 • • • Nomograma C-1: cabezal a 90°. En los cajones multicelda con relación B/D>3 los chaflanes laterales resultan demasiado grandes si se calculan según el ancho libre total. estas dimensiones no podrán ser menores de 7. el procedimiento es el mismo que para las de una sola celda utilizando como ancho B la suma de los anchos de todas las celdas. dimensiones chaflán. 18. 18. aparece la posibilidad de que el control esté en la arista superior de esta (figura XVIII-5). También pueden ser prolongadas hacia aguas arriba con una pendiente descendente de forma que sirvan como deflectores de desechos flotantes (fig. GARGANTA CARA ALETAS Bf L1 B 18. El control del flujo puede presentarse CARA PLANTA Ht Hf CHAFLÁN GARGANTA D en la garganta y en la cara anterior. (22) . XVIII-3).S S PERFIL Figura XVIII-4: entrada ensanchada lateralmente. Fuente: Ref. Figura XVIII-3: cajón con dos celdas y pared central deflectora de desechos. Las aristas de las paredes intermedias de los cajones no revisten mayor importancia para el PLANTA VISTA LATERAL comportamiento hidráulico del cajón múltiple. la que resulte menor. L1.2 ENTRADAS ENSANCHADAS LATERALMENTE Este tipo de entrada puede ENSANCHAMIENTO adoptar una de las formas que se muestran en la figura XVIII-1.192 Drenaje vial para ingenieros viales establecer la dimensión b se utiliza B o 3D. La Deflector dimensión d se calcula con el alto D. por lo que se les puede dar la forma que se estime conveniente. Si se la añade una caída. Se debe calcular la altura de agua en cada una de estas secciones para asegurarse de no sobrepasar la permisible. añadiéndose un chaflán en la arista superior. La altura D en la cara anterior es igual a la de la tubería. el denominador aparece como 2 N. por ser esta la más profunda. En él se entra con la expresión Q B. .D 3 2 3 y se obtiene la relación Ht/D. En él se presentan dos curvas.2.1. No hay ningún procedimiento que permita calcular baterías de más de dos cajones. Los casos no contemplados se consideran indeseables. Las curvas para el diseño de la sección de la cara vienen dadas en el gráfico C-5. se prefieren los de 1:1. ya que.B. 18.2. Aunque se puede usar chaflanes con pendiente 1.2. que resultan más pequeños. • Curva entera: a) aletas de 26° a 45° con chaflán de pendiente 1:1 en la arista superior.2. Su fondo es la continuación del plano del piso del cajón.2 ENTRADAS ENSANCHADAS LATERALMENTE 18. Control en la garganta Se debe procurar que el control esté en la garganta. hay que asegurarse de que no se produzca en la cara aguas arriba. La curva de operación se forma mediante la superposición de las tres del control a la entrada más la correspondiente al control a la salida. b) Aletas en ángulo entre 26° y 90° sin chaflanes. se aprovecha al máximo la altura de agua en la entrada. Control en la cara Puesto que es conveniente que la alcantarilla funcione con el control en la garganta. donde la N se refiere al número de celdas.Drenaje vial para ingenieros viales 193 18. Ellas cubren dos posibilidades cada una: • Curva punteada: a) Aletas en ángulo entre 15° y 26° con chaflán de pendiente 1:1 en la arista superior.5:1.D . El gráfico C-4 da la profundidad de agua a la entrada necesaria para que el gasto de diseño pase por la alcantarilla con el control en la garganta. En el gráfico. Uso de caídas aguas arriba Se puede disponer una caída antes de la cara aguas arriba de la alcantarilla. prolongado como mínimo La luz libre total necesaria se determina mediante el uso del gráfico C-6 de forma que no se produzca control en la cara. de las cuales la punteada es la menos favorable.3. b) Aletas entre 45° y 90° con chaflán pendiente 1:1 en todas las aristas. 18. 1 Control en la garganta transición suave de la entrada del flujo en la alcantarilla. Para encontrar la altura de agua con control en la garganta se utiliza el gráfico C-4.3. tal como se describió para las entradas achaflanadas. es decir. Se puede dar dos formas a la cara anterior de la alcantarilla: vertical o perpendicular a la pendiente del fondo. La entrada con cara vertical presenta tres potenciales secciones de control: la cara. También aquí. donde. respecto al cajón entre 4:1 y 6:1. por lo que se debe tratar de disminuir el tamaño de este. Para ello se debe diseñar de forma que el control esté en la garganta. ENTRADAS CON AUMENTO DE PENDIENTE 18. 18. solamente se describirá la primera. la pared central se puede extender para que La distancia L3 entre la arista del techo actúe como deflector de desechos flotantes. La arista superior de la caída debe ser lo suficientemente larga como para que no se produzca una sección de control sobre ella. que la tubería esté funcionando a la máxima capacidad posible para las condiciones existentes. Cajones dobles El aumento de pendiente en la entrada forma una caída dentro de la alcantarilla. El gráfico C-7 proporciona la altura de agua Hc que produce dicho control. . Control en la garganta El costo de construir la entrada es mucho menor que el del cajón de la alcantarilla. lo que incrementa la profundidad de agua disponible en la garganta y provee una capacidad adicional a la proporcionada por la entrada ensanchada (figura XVIII-6). entrando con NQ BD 2 3 (N se refiere al número de tubos) se obtiene la relación Ht/D.3. la garganta y la arista A formada por la intersección del plano del fondo de la caída con el del cajón (figura XVIII-6). y la garganta debe ser por lo menos de Los ensanchamientos de las paredes 0. 18.194 Drenaje vial para ingenieros viales una distancia igual a D/2 para proveer una 18.3.3.1.5B para asegurarse de que el control se externas podrán tener inclinaciones con produzca en la garganta y no en dicha arista. Puesto que esta segunda posibilidad es menos eficiente que la anterior. Se puede disponer dos cajones en una alcantarilla con entrada mejorada. para lo que se toma como ancho la luz libre total.4. se debe cumplir con las limitaciones que se dan a continuación pues. Limitaciones para el diseño Para asegurarse que las curvas de diseño empleadas son aplicables a un cierto caso.4.2. el funcionamiento no será el esperado. se debería revisar la posibilidad de que el control esté en la arista superior de la misma. (22) 18.3. Control en la arista superior de la caída Si se dispusiera una caída antes de la entrada.3. para lo cual se puede usar el gráfico C-7. 18. si no se cumplen.3.2. Las curvas corresponden a las mismas condiciones descritas en el punto 17. Fuente: Ref. 18. Control en la cara anterior Las curvas para determinar la altura de agua con control en la cara anterior (aguas arriba) de la entrada aparecen en el gráfico C-6.3. .Drenaje vial para ingenieros viales 195 L1 L2 GARGANTA L3 CARA ALETAS Bf B ENSANCHAMIENTO PLANTA CARA CHAFLÁN GARGANTA Ht Hf S0 CAÍDA Sf D D A PERFIL S Figura XVIII-6: Entrada con aumento de pendiente. Debe considerarse un ancho igual a la suma de los anchos de los cajones individuales y puede tener o no cualquier tratamiento de las aristas.5. C-6 y C-7. a ese ancho habrá que añadir el espesor de la pared central. Un ensanchamiento menor es inaceptable y uno mayor conduciría a un diseño conservador. ™ El ensanchamiento de la entrada debe estar comprendido en el rango 4:1<ensanchamiento<6:1. se puede usar el gráfico C-5 con un Ht que incluya la caída disponible. Batería de dos cajones Los gráficos C-4.196 Drenaje vial para ingenieros viales ™ La pendiente de la caída debe estar comprendida en el rango 2:1>Sf>3:1. Para caídas menores.3. No existe ningún procedimiento para el cálculo de baterías de más de dos cajones. desarrolladas para un solo cajón. . ™ La profundidad de la caída debe ser D/4<CAÍDA<1. ™ La distancia horizontal L3 entre la arista del tope del cajón y la garganta debe ser L3 ≥ 0. 18. Las caídas mayores producen pérdidas significativas por fricción entre la cara y la garganta. La cara anterior determinada mediante el uso del gráfico C-6 corresponde al ancho total libre. Para efectos del diseño.5B. pueden ser usadas para un cajón doble siempre que se extienda la pared central hasta la cara aguas arriba.5D. resultando el resto de la entrada con sección rectangular (figura XIX-1). El ensanchamiento de la sección puede producirse de dos maneras: a) pasando de la sección transversal circular de la tubería a una sección ovalada de la D misma altura en la cara anterior de la alcantarilla. se describirá únicamente la segunda.2. Figura XIX-1: Transición de sección circular a rectangular Fuente: Ref. 19. Puesto que las tuberías de metal corrugado no tienen campana.Drenaje vial para ingenieros viales 197 CAPÍTULO XIX ENTRADAS MEJORADAS EN TUBERÍAS CIRCULARES Al igual que en los cajones de concreto. ya que la entrada con la campana hacia aguas arriba produce las mismas pérdidas con o sin chaflanes y puede ser analizada como una alcantarilla convencional. Puesto que una entrada ovalada en toda la longitud de la entrada presenta más dificultades constructivas que la entrada con transición de circular a cuadrada. ENTRADA CON BORDES ACHAFLANADOS No es necesario achaflanar la arista de la entrada de las tuberías circulares de concreto. para lo que se puede usar el nomograma C-8. ENTRADAS CON ENSANCHAMIENTO LATERAL El ensanchamiento en este tipo de . Así pues. Se teniendo puede en diseñar que baterías cada de tuberías como una serie de tubos aislados. se puede mejorar la entrada de las tuberías circulares mediante los chaflanes. correspondientes a pendientes 1:1 y 1.5:1. las caídas a la entrada y el aumento de pendiente. (22) 19. o b) realizando la transición en un corto tramo. el cual contempla dos tipos de biselado.1. cuenta tubería requiriere un chaflán por separado. utilizando para ello todo el largo D de la entrada. en el que se pasa de una sección circular a una sección cuadrada con D D/2 lados iguales al diámetro del tubo. al construir la alcantarilla se debe disponer siempre la campana de los tubos en el sentido indicado. es conveniente achaflanar la entrada. el ensanchamiento lateral. la relación de la altura del agua a la entrada a la altura del tubo será en este caso Hf/E en lugar de Hf/D. Caídas aguas arriba de la entrada Cuando se desea amentar la altura de agua en la entrada. Tal como se describió para las entradas ensanchadas de los cajones de concreto.2.2. Control en la cara Se determinarán las dimensiones de la cara usando el gráfico C-6. 19.3. Puesto que la altura de la cara puede ser algo mayor que la de la tubería. Es posible que resulte necesario pavimentar la depresión para evitar daños por socavación. en las entradas mejoradas el control debe estar en la garganta. realizándose el cálculo de los demás controles de la manera ya descrita.198 Drenaje vial para ingenieros viales ENSANCHAMIENTO Bf D Transición L1 PLANTA D/2 Ht Hf E LS0 Sección rectangular S0 D Transición PERFIL Figura XIX-2: Entrada ensanchada para tuberías circulares. ya que ello conduce a diámetros menores de la . El ensanchamiento debe estar en el rango de 4:1 a 6:1.7. (22) 19. 19. Se usa el gráfico C-7 para determinar si el control está en la arista superior de la caída.2. Control en la garganta Como ya se dijo. se debe evitar que se produzca el control en ella.6. se puede usar las entradas con aumento de pendiente o disponer una depresión antes de la entrada ensanchada. tal como se muestra en la figura XIX-3. Fuente: Ref.2 ENTRADAS CON ENSANCHAMIENTO LATERAL 19. empleándose el gráfico C-9 para encontrar la relación Ht/D. Para calcular la relación Hf/D correspondiente al control en la cara superior se emplea el gráfico C-5.3. el control se presenta siempre en esta última.3.1. ¿????? 19. deben ser observadas las siguientes. (22) circulares y no debe ser empleado para secciones abovedadas o de cualquier otra forma. Limitaciones al diseño Además de las restricciones descritas para las entradas de los cajones de concreto con aumento de la pendiente. aparentemente se pueden presentar dos secciones de control distintas en la garganta: en la sección cuadrada DxD y en la sección circular. relativas a las entradas de tuberías circulares. 19. tanto con la entrada ensanchada como con la pendiente aumentada: . puesto que el área de la sección cuadrada es considerablemente mayor que la circular.Drenaje vial para ingenieros viales 199 WP Bf D 2T Min. D/2 PLANTA S0 Hf T S D PERFIL Figura XIX-3: Caída en la entrada. Fuente: Ref. Sin embargo. ENTRADAS CON AUMENTO DE LA PENDIENTE Cuando se emplea la transición corta entre la sección circular del tubo y la cuadrada de la entrada mostrada en la figura XIX-1. ™ La transición entre ambas secciones debe ser igual o mayor de D/2 pero.2 Alcantarillas múltiples Con el método aquí descrito solamente se puede diseñar baterías de dos alcantarillas de sección circular. con lados iguales al diámetro de la alcantarilla. se puede diseñar alcantarillas individuales con el mismo aumento de la pendiente. .200 Drenaje vial para ingenieros viales ™ En la transición la sección aguas arriba debe ser cuadrada. El procedimiento a seguir será el mismo que el de los cajones de concreto. diferenciándose en que la pared central debe tener forma de cuña. ya que se debe proveer espacio suficiente entre los tubos para poder compactar adecuadamente el relleno entre ellos. más ancha cerca de los tubos y más estrecha conforme se aleja. 19. se debería considerar las pérdidas por fricción en el trayecto. usando para ello los métodos ya descritos. Si hay espacio suficiente para poder acomodarlas. De esta manera no hay límite del número de tubos a usar. si se usaran longitudes excesivas.3. adicionalmente. Estos riesgos son menores en zonas rurales que en las urbanas pero en todos los casos se debe vigilar su posible ocurrencia. LA HIDROLOGÍA La determinación del gasto de diseño es una estimación de la probabilidad de ocurrencia de un evento y. Si se juzga necesario. en el diseño de las alcantarillas con entrada mejorada intervienen otros factores que deben ser tomados en cuenta y que se pasa a describir.3. 20.S. si calculamos una estructura con una frecuencia de 25 años. . Por ejemplo.4. Si. en una investigación de campo realizada en 75 instalaciones de U. como en caso de crecientes extraordinarias existe la posibilidad de que el control del flujo pase de la entrada a la salida. como es frecuente en Venezuela. LA SEGURIDAD VIAL Y LAS ENTRADAS MEJORADAS Las entradas mejoradas no representan mayor peligro para los vehículos que las alcantarillas convencionales. se deberá proteger la entrada con rejas que impidan la caída de los vehículos en su interior. DESECHOS FLOTANTES Y OTROS ARRASTRES Una objeción frecuente al uso de las entradas mejoradas es el posible incremento de los problemas de funcionamiento causados por los desechos flotantes y otros arrastres. entre los que se debe considerar la posible pérdida de vidas o propiedades y los retrasos e interrupciones del tránsito. el análisis de frecuencia se realiza con un registro de datos muy corto. como tal. es necesario comprobar también si en esas condiciones la alcantarilla funciona adecuadamente. Sin embargo.2. los niveles de agua alcanzados anteriormente.A. el uso de la tierra aguas arriba. no se reportaron problemas de este tipo.1. ALTURA PERMISIBLE DEL AGUA A LA ENTRADA La altura permisible del agua a la entrada se debe fijar de acuerdo con el mejor criterio del proyectista. para lo cual se debe tener en cuenta la normativa vigente y aspectos tales como la altura de la carretera. En ambos casos. 20. 20. la importancia de la carretera y los riesgos de daños. Por todo ello es conveniente evaluar el comportamiento de una alcantarilla bajo diferentes posibilidades de gasto y. hay un 2% de probabilidades de que en un año cualquiera se produzca una creciente de frecuencia 50 años y.Drenaje vial para ingenieros viales 201 CAPÍTULO XX CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO Además de los aspectos hidráulicos. la probabilidad de ocurrencia aumenta considerablemente. existe la posibilidad de que ese evento sea superado durante el periodo de diseño. 20. las entradas deben ser colocadas suficientemente alejadas de la calzada y su estructura no debe representar un peligro para un vehículo que pierda el control. existe un 40% de probabilidad de que durante ese lapso se produzca la lluvia de los 50 años de frecuencia. se debe tener en cuenta que para la construcción de una caída o el aumento de la pendiente de la entrada es preciso realizar un movimiento de tierra y. Sin embargo. aplicando la ecuación de Manning mediante el uso de los gráficos y nomogramas descritos en el capítulo XIII. VELOCIDAD DEL AGUA A LA SALIDA Pareciera que. así. si se logra disminuir significativamente su diámetro se habrá logrado un gran ahorro. ella permanece sensiblemente igual que en las alcantarillas convencionales. la demolición de la existente y de la interrupción o demora del tránsito por la vía. en las alcantarillas en que la pendiente es menor a la original como consecuencia de una caída en su entrada. para un gasto constante. Los mayores ahorros se producen cuando la alcantarilla es muy larga. Como el control del flujo está en la entrada. al disminuir el tamaño de la tubería la velocidad del agua debiera aumentar (recordemos que Q= V. Es con este costo total que se debe comparar la construcción de una entrada mejorada. Como lo más costoso es la tubería. 20.A).202 Drenaje vial para ingenieros viales Tal como en las alcantarillas convencionales. todos ellos sin mayor significación. estos suelen lavarse cuando se presentan crecientes de consideración. En la investigación anteriormente citada se reportaron 8 casos de sedimentos en las 75 alcantarillas. SEDIMENTACIÓN En las entradas con aristas achaflanadas o con la entrada ensanchada cuya pendiente sea igual o parecida a la del terreno original no se presenta ningún problema especial. también se debe analizar las alcantarillas más cortas. si el fondo del curso de agua es rocoso. 20. la tubería funciona parcialmente llena y. El método para calcular la velocidad del agua en la salida de las alcantarillas con entrada mejorada es el mismo que el empleado en las alcantarillas convencionales.6. pues también en ellas se puede lograr algunos ahorros. 20. ello puede resultar muy costoso. manteniéndose la velocidad. al costo de la construcción de la nueva debe añadirse el de la excavación.7. donde se sospeche la presencia de arrastres de desechos se deberá disponer trampas como las descritas en el capítulo XXX. CONVENIENCIA ECONÓMICA Antes de decidirse por una entrada mejorada se debe considerar el costo total de varias alternativas. .5. puede producirse deposición de sedimentos. pues el aumento de la capacidad se obtiene por el aumento de la sección mojada y no el de la velocidad. se calcula la velocidad la normal en la tubería. En el caso de necesitarse la sustitución de una alcantarilla existente por otra con mayor capacidad. Sin embargo. aumenta la altura del agua y el área mojada. al aumentar el flujo. cualquier objeto que logre entrar podrá pasar la garganta y correrá a todo lo largo de la tubería. Por el contrario. Una precaución sencilla y económica para impedir que los grandes objetos arrastrados por la corriente se atasquen en la entrada es disponer una viga metálica clavada verticalmente delante del centro de la cara anterior del tubo pues. Sin embargo. Puesto que el control está en la entrada. Por ejemplo. disponer una caída en la entrada o construir la entrada con un aumento de la pendiente.Drenaje vial para ingenieros viales 203 Para aumentar la capacidad de una alcantarilla existente la solución más barata es. por último. en primer lugar. ensanchar la entrada y. en segundo lugar. . sustituir las aristas por chaflanes. El procedimiento de este tanteo se ilustra mediante el diagrama de flujo de la figura XXI-2 de la siguiente página. ya que esta es la mayor capacidad posible.1. A partir de esa opción. El procedimiento de diseño comienza por establecer el tamaño más conveniente de una tubería con control a la salida.D . la longitud aproximada de la tubería y la altura permisible del agua a la entrada.204 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXI PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Como ya es sabido. las cotas de los extremos y el perfil longitudinal del cauce. del cabezal m. PASO 1: DETERMINAR Y ANALIZAR LAS CARACTERÍSTICAS DEL SITIO Las características del sitio incluyen la forma de la sección transversal. determinada por el diámetro D y la Figura XXI-1: longitud pendiente m del talud: L= Distancia-2mD. comenzando por el achaflanamiento de las aristas y siguiendo con el ensanchamiento. se comienza a tantear mejoras de la entrada. las caídas y el aumento de la pendiente de la entrada. para que sean aplicables estas mejoras el control del flujo debe estar en la entrada. La longitud D 1 aproximadamente la distancia entre los pies del m L de la tubería es talud en el cauce menos la parte que ocuparán los dos cabezales. 21. (22) .Drenaje vial para ingenieros viales 205 1 Determinación y análisis de las características del sitio 2 Análisis hidrológico 3 Selección de la tubería con control a la salida 4 Capacidad del tubo con control entrada aristas vivas 5” Capacidad del tubo con chaflanes 5’ Altura de la caída: CHEP-HECE CONTROL A LA ENTRADA NO ¿Control a la salida? SÍ NO ¿Tiene chaflanes? SÍ 5 Calcular control en la garganta para entrada mejorada SÍ ¿La caída es excesiva? NO 6 Análisis efectos de la caída y diseño entrada achaflanada CONTROL A LA SALIDA SÍ ¿Caída excesiva? NO ¿Control a la salida? NO SÍ CONTROL A LA SALIDA CONTROL A LA ENTRADA 6 Análisis de los efectos de la caída 7 Diseño de la entrada mejorada 8 SE COMPLETA EL PROYECTO FIN Figura XXI-2: Diagrama de flujo del procedimiento del diseño de alcantarillas con entrada mejorada. Fuente: Ref. forma de la sección transversal. Se une este valor de H0 con el gasto de Línea de referencia Figura XXI-3: selección de un diámetro tentativo diseño QD y se encuentra la intersección I con la línea de referencia. PASO 2: ANÁLISIS HIDROLÓGICO Se debe establecer el gasto de diseño con frecuencias apropiadas para las condiciones del sitio y. Si para un gasto dado el control está a la salida. tomando esta vez h0= D0 y repitiendo el proceso. Q D Ce H Puesto que a esta altura del proceso no es muy importante la exactitud. material) se produce cuando esta trabaja con control a la salida. en primer lugar se calcula la cota máxima permisible CHEP de la superficie del agua sumando a la cota de entrada de la alcantarilla la altura máxima permisible HEP a la entrada. encontrando el diámetro tentativo D0. 4. Para ello: QD D0 I L 1. Se calculan cotas de agua en la entrada para diferentes gastos y se dibuja con ellos la curva de operación. se prolongue hasta Ce que corresponda que. . esto es. para tener en cuenta los riesgos que se corren si es superado el gasto estimado. Se comenzará buscando el tamaño más conveniente entre un grupo de alternativas. 2. se calculan los gastos correspondientes a otras frecuencias. PASO 3: TAMAÑO DE LA TUBERÍA CON CONTROL A LA SALIDA Como ya se dijo. la tubería que produzca el control a la salida. Se traza una recta desde la longitud de la tubería L medida sobre la curva del intersección I. Para ello. Se verifica el resultado. forma de las aristas. 5.206 Drenaje vial para ingenieros viales 21.2.3. 21. la capacidad máxima de una tubería dada (tamaño. pasando por la cortar la línea D. mediante métodos que aseguren la exactitud necesaria en cada caso. se eligen varios tamaños y tipos tentativos de tubería H0 Ce´ Ce” usando de forma inversa el nomograma de control a la salida. 3. ninguna solución con control a la entrada podrá producir una altura de agua a la entrada menor a la del control en la salida. Se asume un valor de la carga H0 calculado como H0= HEP+LS0-h0. pues en esas condiciones es cuando la tubería funciona a sección plena. donde h0 es una altura tentativa del tubo. posiblemente es aconsejable desechar ese tamaño y tomar el inmediatamente mayor.80 ARISTAS VIVAS 1 de 2. si cumple con las expectativas del proyectista de acuerdo con su análisis de las características del sitio y los daños que podrían producirse si es superado el gasto de diseño. de menor tamaño. . Después será necesario verificar si la velocidad del agua a la salida es aceptable.80 ACHAFLANADO Cota permisible a la entrada CHEP CURVA A 1 de 2. Se trazan las rectas correspondientes al gasto de diseño y la cota del agua permisible a la entrada CHEP y se elige como tamaño mínimo admisible el correspondiente a la curva que pase más próxima y por debajo de su punto de 1 de 2.50 ACHAFLANADO Qdiseño Figura XXI-4: Curvas de operación de cajones rectangulares con control a la salida.40X1.10X1.80 ACHAFLANADO 2 de 1. Fuente: Ref. tal como se ve en la figura XXI-4. (22) intersección (curva A en la figura XXI-4).10x1.Drenaje vial para ingenieros viales 207 Se repite la operación para otros tamaños de tubería y tipo de entrada y se calculan y dibujan las curvas de operación de control a la salida con aristas vivas y achaflanadas para esos tubos. si la curva es muy pendiente. tal vez se podría haber encontrado otra solución con chaflanes. cuya curva de operación pasara ligeramente por debajo de la curva A.50x1. Del mismo modo. Puesto que esta curva corresponde a una entrada con aristas vivas. restando de CHEP la altura calculada en el punto b). el control estará en la salida.208 Drenaje vial para ingenieros viales 21. se propone una nueva solución de mayor tamaño y se retorna al punto b). a cuya altura se ha llamado caída. el control estará en la entrada. la diferencia entre este y la rasante será la caída. Si esta HE fuese menor que la calculada en el paso 3.5. procediéndose de la siguiente manera: ™ Se calcula la altura de agua HE con control en la entrada necesaria para que el gasto de diseño pase por el tubo seleccionado en el paso anterior. PASO 4: CÁLCULO DE LA TUBERÍA CON CONTROL A LA ENTRADA CON ARISTAS VIVAS Y ACHAFLANADAS Se hará el cálculo para la tubería seleccionada en el paso 3 con la cota CHEP de agua permisible en la entrada. por lo que se pasará al paso 8. Si la cota obtenida es menor que la del terreno. ™ Si. Para ello se procede a: a) Determinar unas dimensiones tentativas de la entrada mejorada para la alcantarilla seleccionada en el paso 3.4. la tubería generalmente se coloca a la altura del terreno natural. Si se considera excesiva. b) Calcular la altura del agua necesaria en la garganta. se tomará a este como rasante. PASO 5: ENTRADA MEJORADA CON ENSANCHAMIENTO O AUMENTO DE LA PENDIENTE Si se consideró que la caída necesaria es excesiva. la caída resultara demasiado grande: a) si el paso anterior se hizo con arista viva. c) Calcular la cota de rasante de la garganta. e) Si queda por debajo del terreno natural. se deberá disponer una depresión en la entrada de la alcantarilla. ™ Si esta cota es mayor que la del terreno. . ™ Restando HE de la cota CHEP se obtiene la cota necesaria del fondo de la entrada de la alcantarilla para que CHEP no sea superada en el control a la entrada. obteniéndose así una capacidad superior a la necesaria. en la cual control el control está en la garganta. d) Si esta cota está por encima del terreno natural. se va al paso 6. b) si se había calculado con chaflanes. se tratará de mejorar la entrada con chaflanes. a juicio del ingeniero. ™ Si la altura HE es mayor que la calculada en el paso 3. lo que proporcionará un margen de seguridad. ™ Si se considera que la caída obtenida es aceptable. se procede a diseñar una entrada mejorada mediante el ensanchamiento de la misma o el aumento de su pendiente. se debe ir al paso 5. 21. por lo que existe la posibilidad de optimizar el diseño de la alcantarilla seleccionando la forma de la entrada y el tamaño de la caída de manera que la curva de operación resultante pase entre CHEP y la curva del control a la salida.Drenaje vial para ingenieros viales 209 COTA DEL AGUA EN LA ENTRADA Control a la entrada – aristas – sin caída Control a la entrada – achaflanada – sin caída Control en la garganta ensanchada – caída 1. para el gasto de diseño la alcantarilla funcionará con control a la salida. tal como las A. Fuente: Ref. después de haber mejorado la entrada. C o D de la figura XXI-6. .6. La curva correspondiente al control en la salida pasa por debajo del punto de intersección entre la cota CHEP y el gasto de diseño.achaflanada Q diseño GASTO Figura XXI-5: Modificaciones a la entrada para obtener la máxima eficiencia.05 m Control en la garganta ensanchada – c/caída adicional CHEP Control a la salida – aristas vivas Controla la salida . PASO 6: ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA CAÍDA En el paso 6 se analiza los efectos de la caída. Entonces se regresará al paso 4 para tratar de optimizar la solución usando chaflanes o una caída. En la figura XXI-5 se aprecia que se puede incrementar la capacidad de la alcantarilla mediante el aumento de la caída o mediante la mejora de la entrada. la cual debe ser igual o menor que CHEP. (22) f) A la rasante calculada se le suma la altura de agua HE calculada. obteniendo así la cota de la superficie del agua. h) Se define y dibuja la curva de operación del control en la garganta 21. B. cuando se encuentra que la caída no es excesiva o del paso 5. g) Si esta es menor que la encontrada para el control a la salida. A este paso se puede llegar por dos vías: desde el paso 4. con alguna de las cuales debe intersectar la curva de operación de la cara anterior. Esta condición está representada en la figura XXI-6 por la intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta.7.210 Drenaje vial para ingenieros viales 21. 2) en la línea vertical del gasto de diseño Q. En la figura citada se muestran las curvas de operación con control en la salida y en la garganta. . PASO 7: DISEÑO DE UNA ENTRADA ENSANCHADA En una entrada ensanchada puede producirse una caída mediante una depresión aguas arriba de la cara o mediante el aumento de la pendiente dentro de COTA DEL AGUA A LA ENTRADA Curva A a b Curva B Curva E c e Nivel normal del agua Cota máxima permisible del agua (CHEP) d Curva C Control en la garganta con entrada ensanchada Control en la salida Posible control en la cara Q Diseño GASTO Figura XXI-6: Selección de la posible sección de la cara anterior. Esto sugiere que la curva de operación con control en la cara anterior debe cortar a la del control en la garganta en alguna de las siguientes opciones: 1) en la línea horizontal de CHEP. 4) otras opciones. El funcionamiento de la alcantarilla con control en la cara anterior debe ser compatible con el del control en la garganta: puesto que este último es el más eficiente para aprovechar la altura de agua disponible. 3) en su intersección con la curva del control a la salida. Se debe hacer un diseño que aproveche al máximo la altura obtenida mediante la caída dispuesta aguas arriba. En este paso se decidirá la mejor combinación de ensanchamiento y caída. (22) la entrada. la misma capacidad para igual altura de agua. Fuente: Ref. la cara anterior debe tener. por lo menos. En el diseño de la sección de la cara anterior la altura del agua la entrada no deberá sobrepasar la CHEP. 7. 21. es decir. lo que reduce la altura de agua necesaria para gastos mayores que el de diseño. 21.7.1 Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en la línea horizontal de CHEP Las curvas pueden intersectarse en los puntos a o b. se procede a dimensionar definitivamente el proyecto. las opciones de los puntos anteriores consiguen el objetivo de obtener el menor tamaño de la cara anterior para una caída dada. El control puede pasar de la cara anterior a la garganta cuando el control está en la salida. esta opción de diseño asegura el control en la garganta para gastos superiores al de diseño. los cuales representan los límites del diseño. Debe incluir la información recabada acerca del sitio. El punto a representa el diseño más económico. ya que no deja ningún margen de seguridad: si se sobrepasa el gasto de diseño. se sobrepasará también CHEP. Estos diseños representan las caras anteriores con menor área que pueden ser usadas para que el control esté en la garganta y así emplear totalmente la caída proyectada. PASO 8: CONCLUSIÓN DEL PROYECTO Por último. En esta debe constar la información hidrológica disponible y las decisiones que se tomaron basándose en ella.7.Drenaje vial para ingenieros viales 211 21. a dibujarlo y a redactar su memoria descriptiva. . de la máxima capacidad que puede tener la tubería bajo las condiciones imperantes. Sin embargo. la evaluación de los daños que pudieran sobrevenir si una creciente sobrepasa el gasto de diseño y toda la información que condujo a establecer la altura de agua máxima permisible en la entrada de la alcantarilla.4 Otras opciones Se puede diseñar variaciones de las opciones descritas. obteniendo el mayor incremento posible de la capacidad o la máxima disminución de la altura del agua a la entrada para caída y un gasto igual o mayor que el de diseño. 21. Aprovecha todo el incremento de altura de agua proporcionado por la caída.7.2 Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en el gasto de diseño Q Estas intersecciones están representadas por los puntos a. aunque la confiabilidad sea aceptable. 21. Se debe vigilar que la altura de agua necesaria a la entrada no supere a la permisible. c y d. El punto b pertenece a la curva de operación del control a la salida. En los puntos c y d. el uso de la tierra y los desarrollos aguas arriba. tal como el perfil longitudinal de la carretera.3 Intersección de las curvas de operación de la cara y la garganta en la curva del control a la salida Esta opción corresponde a los puntos b y e. Las decisiones acerca del funcionamiento de la alcantarilla deben ser tomadas de acuerdo con el grado de confianza que inspire la estimación de la creciente y la conciencia de que.8. siempre existe la posibilidad de que el evento correspondiente a la frecuencia de diseño sea excedido durante la vida útil de la alcantarilla. también. . El grado de detalle de la información se determinará según la importancia que tenga el proyecto. no solamente económicamente. tanto estructurales como funcionales. la información acerca de grandes crecientes ocurridas anteriormente y las consideraciones hechas con respecto a los daños provenientes de gastos superiores al de diseño.212 Drenaje vial para ingenieros viales Deben constar en la memoria las informaciones acerca de las bases de la estimación del gasto de diseño. la importancia de la vía y la posibilidad de vías alternas. los daños potenciales en caso de falla. ya que esta información puede resultar de gran importancia para evaluar el comportamiento de la alcantarilla en el caso de crecientes extraordinarias. la evaluación de la calidad de la estimación. La memoria descriptiva debe contener. sino también respecto a las dificultades técnicas de construcción. todas las consideraciones hidráulicas y económicas que se hicieron para dimensionar la alcantarilla. Drenaje vial para ingenieros viales 213 SÉPTIMA PARTE DISIPADORES DE ENERGÍA . se provoca la disminución de la energía cinética del agua usando disipadores de energía que. al encauzarlas o conducirlas por tuberías. el flujo pasará de supercrítico a subcrítico por sí solo pero para ello se precisará un recorrido bastante largo. pero sí pueden producir socavación localizada suficiente como para poner en peligro las propias estructuras del drenaje vial y. Así. Estos dispositivos pueden ser de impacto y de resalto. En los casos de los pequeños caudales de los que se ocupa este trabajo probablemente los resultados no serán tan trágicos. Cuando se realiza una obra hidráulica. las alcantarillas cuya velocidad del agua en la salida sea superior a la que soportan los suelos sobre los que descargan. por lo que se produce la socavación generalizada del fondo que. Un curso de agua será estable mientras que esos tres elementos estén en equilibrio. como consecuencia. pero es probable que. los canales y cunetas no revestidos. Los segundos aprovechan las propiedades del resalto hidráulico. lleve una velocidad mayor que la permisible para el suelo que conforma el cauce. el cuerpo de la carretera. mediante fuertes turbulencias. Son ejemplos las descargas de los canales en los cauces naturales. se lo podrá diseñar con una pendiente más suave. aumenten su velocidad. generalmente se modifican las condiciones naturales de la corriente y lo más frecuente es que las aguas. disponiendo caídas . En el drenaje vial se suele presentar la socavación en aquellos casos en que el agua se concentra y corre sobre el suelo no protegido. en un proyecto con grandes gastos de diseño. disipan la energía indeseable. Los primeros disipan la energía desviando la dirección del flujo mediante el impacto contra un obstáculo fijo diseñado para tal fin. si debemos trazar un canal en una pendiente pronunciada. Al acelerar las aguas se rompe el equilibrio y aumenta la capacidad de arrastre de sedimentos. las corrientes de agua tienen una capacidad de arrastre de sedimentos que depende básicamente de la velocidad del agua. la cantidad de sedimentos que arrastra y el tamaño de las partículas del fondo de los cauces. las cunetas que descarguen en una ladera. puede provocar el colapso de estructuras existentes aguas arriba o abajo a mucha distancia del proyecto. al ser dispuesta en los cauces naturales o en canales con fondo móvil. Otra de las aplicaciones de los disipadores de energía es permitir a los canales salvar desniveles sin que la energía ganada en el salto produzca inconvenientes aguas abajo.214 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXII LOS DISIPADORES DE ENERGÍA Tal como se dijo en el capítulo IX. Mientras que el agua transita en los conductos construidos por el hombre. esa aceleración ha debido ser tomada en cuenta por los ingenieros y no debiera producir daños. Si la pendiente del fondo es subcrítica. mediante el cual se pasa de un flujo supercrítico a uno subcrítico de menor velocidad. Los disipadores obtienen el mismo resultado en una longitud mucho más corta. los pies de talud no protegidos y. Para que la transición se haga sin producir daños. En esta parte se describirá la forma de dimensionar los siguientes tipos de estructuras: 1. 3. Las primeras son canales poco profundos que bajan por laderas con grandes pendientes.Drenaje vial para ingenieros viales 215 que salven el desnivel necesario con disipadores de energía a sus pies para disminuir la velocidad del agua. por lo que no todas pueden ser utilizadas en los pequeños que son tratados en el drenaje vial menor. Las torrenteras son canales con el fondo formado por escalones relativamente altos y cortos que. Otras estructuras que permiten salvar grandes desniveles y proteger las laderas son las caídas y las torrenteras. Disipación de energía por aumento de la resistencia. En esta parte se disipadores de energía más sencillos y aplicables a los problemas del voluminosas y cursos de agua describirán los drenaje vial. Caída libre en canales. Disipación de energía por impacto. . En este caso se puede disponer pantallas contra las que choque el agua y produzcan disipación de la energía por impacto. no se produce la disipación total de la energía. siguen la pendiente de las laderas. Pueden disipar energía a todo lo largo de ellos mediante tacos que aumentan su rugosidad o puede disponerse un disipador de energía en su extremo inferior para desacelerar la corriente y permitir su paso a un canal. sirviendo entonces únicamente para proteger los suelos. ellas también. Los disipadores de energía suelen ser estructuras bastante costosas. 2. Para que una torrentera sirva como disipador de energía su huella debe ser lo suficientemente larga como para que se produzca en ella el resalto. Si la longitud de la huella de los escalones es corta. por las características del Figura XXIII-1: canal de pendiente S0 en terreno con pendiente St. hasta encontrar su altura normal. produce la consiguiente disminución de la velocidad del agua (figura XXIII-2).216 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXIII CAÍDA LIBRE EN CANALES Como ya se explicó en el capítulo VII. La turbulencia del resalto provoca una pérdida de energía ΔE y la altura y2. Disponiendo de la información del flujo de llegada podremos calcular la altura crítica ycr y obtener el valor de la energía específica en el punto A recordando que EA= 3/2 (ycr)A. Despreciando las pérdidas por fricción. dos velocidades: una subcrítica y otra supercrítica. el nivel del agua subiría desde y1 ycr h y1 L y2 Figura XXIII-2: Esquema del resalto. para una misma energía específica el flujo puede presentar dos profundidades y. A B Resalto E ΔE mayor que y1. Esta parte es únicamente terreno. tal como se puede ver en la figura XXIII-1. se puede considerar EB= EA y hallar y1. aplicable que a canales un rectandesnivel S0 gulares que. que también será supercrítica. Cuando el régimen de llegada es subcrítico. y no se produciría resalto. La altura y2 es la correspondiente al flujo normal en el canal de salida. la pendiente aguas abajo debe ser subcrítica. para que se produzca el resalto. por lo que. tienen salvar mediante una caída o para lograr canales de pendiente suave en terrenos con pendiente pronunciada. En este capítulo se describirá la disipación St Caída Perfil del terreno de la energía en las caídas libres mediante la formación de un resalto. En este capítulo se describirán dos tipos de caída: . como consecuencia. XXIII-2). Si el flujo normal aguas abajo fuera supercrítico. en las proximidades de la arista de la caída se produce la altura crítica ycr (fig. ycr = profundidad crítica. LC = distancia del pie del salto al chorro. y1 = profundidad del agua al pie del chorro. Las magnitudes que intervienen son: X = profundidad del agua sobre la caída. CAÍDA LIBRE Como ya se dijo. Régimen subcrítico La solución se obtiene mediante la variable adimensional ycr/h. h = altura de la caída. y0 = profundidad normal supercrítica. la distancia L entre la caída y el resalto puede ser muy larga. Es por eso que. datos previamente calculados según las condiciones del flujo en el canal de aproximación. 23. precisamente. con dimensiones tales que se produzca en ella el resalto hidráulico. LR = distancia de desarrollo del resalto. yp = profundidad del agua bajo . cuya sección es generalmente trapecial. cuando la velocidad de aproximación del agua es subcrítica y. Si se hiciese una caída en un canal no revestido. la pendiente del canal aguas abajo debe ser subcrítica. LT = longitud total. la caída libre puede ser utilizada para salvar un único desnivel en un canal o.1. cuando dicha velocidad es supercrítica.1. cuando el terreno tiene fuertes pendientes. 23. para diseñar un canal con pendientes suaves y caídas sucesivas.1. para obtener una caída. la socavación lo destruiría. el chorro. disminuyendo así el costo de proteger el canal. El objeto del diseño de estas caídas es. Si no se toman medidas. Puesto que la disipación de energía se va a producir por el resalto hidráulico. Se presentan dos casos de diseño: uno. y2 = profundidad conjugada. de rectangular nuevamente a trapecial. se acostumbra a hacer una transición recubierta de concreto que pase de trapecial a rectangular y.Drenaje vial para ingenieros viales 217 a) Caída libre con régimen de aproximación subcrítico y supercrítico. después de la caída. b) Estanque disipador para vertedero con caída libre. lo que exigiría también una transición muy larga. disminuir esa distancia L. La solución en ambos regímenes es empírica. el segundo. 4 3.4 17.7 4.6 27.5 F= 3 y2/y0 1.9 (y2 – y1) 23.4 F= 4 y2/y0 3.0 25. sino el valor y0 correspondiente al flujo normal supercrítico en el canal.4 4.2 15.30 (ycr / h)0.0 2.4 4.81 LR yp / h= (ycr / h)0.81 y2 / h= 1.0 1.7 1.8 3.2 LR/y0 28. (10) Las relaciones adimensionales encontradas empíricamente son las siguientes: y1 / h= 0.2 3. Régimen supercrítico Cuando el régimen de aproximación del flujo es supercrítico.2 4.66 (ycr / h)0.218 Drenaje vial para ingenieros viales Régimen subcrítico ⇒ X Régimen supercrítico ⇒ h yP LC LT y1 LR X= ycr X= y0 y2 y2 6 Figura XXIII-3: disipación por caída. TABLA XXIII-1 RELACIONES ADIMENSIONALES APROXIMADAS PARA FLUJO EN RÉGIMEN SUPERCRÍTICO. Fuente: Ref. pues las dimensiones cambian según varía F. De cualquier manera.5 5.8 LC/y0 3.0 8.1. Fuente: ref.5 LC/y0 3. la profundidad del agua inmediatamente aguas arriba de la caída no es la crítica. tal como se indica en la figura XXIII-3.0 F= 2 LC/y0 2.54 (ycr / h)1.275 LC / h= 4.2 . En este caso hay que tomar en cuenta el número de F de Froude.2 y2/y0 5.66 = 6.5 2.2. (10) h/y0 1.4 9.0 4. Las relaciones son las mostradas en la tabla XXIII-1. para que se produzca el resalto la pendiente del canal aguas abajo debe ser subcrítica.9 1.4 LR/y0 18.6 LR/y0 9. ESTANQUE DISIPADOR PARA VERTEDERO CON CAÍDA LIBRE La referencia (36) muestra un estanque disipador de energía para un vertedero con caída libre desarrollado por el Agricultural Research Service de la Universidad de Minnesota. A mayor profundidad del agua.Drenaje vial para ingenieros viales 219 23. el chorro se aleja más. El método de cálculo es Trayectoria de la lámina sumergida Trayectoria de la lámina libre Trayectoria normal aplicable régimen subcrítico. Fuente: Ref. La altura del agua en el canal de salida es importante. prismática y un murete en la salida. Este método de diseño es aplicable para anchos W0 de la cresta mayores de 1. La ventaja de esta estructura es que se consigue el resalto en una distancia mucho más corta que en las solamente caídas en descritas canales con anteriormente. . (35) consiguiente socavación (figura XXIIIEl disipador consiste en una base plana con tacos de forma 4). pudiendo hacerlo llegar hasta la zona no protegida. tal como los describe la figura XXIII-5.5 ycr.2. pues si es más alta que la prevista puede desviar el chorro de agua hacia delante. con la Figura XXIII-4: trayectoria de la caída. Determinación de la longitud mínima. Fuente: Ref. Procedimiento de diseño 1.50 m.4ycr 0.220 Drenaje vial para ingenieros viales PLANTA 45° Murete final Tacos en el suelo 0. .8 ycr L1 Tacos 0. y L3: (figura XXIII-5) LB= L1 +L2 +L3 L1= obtenida de la figura XXIII-6.15 ycr Murete longitudinal h0 0. teniendo en cuenta que la profundidad del agua en la salida debe ser la indicada en la figura para provocar el resalto.4ycr W0 Q Murete long. (opcional) 45° PERFIL Muro lateral Borde superior de la lámina ycr h2 Altura del muro lateral Aleta Pendiente 1:1 0. La longitud mínima LB es la suma de las tres distancias parciales L1.1. (36) La altura total del salto no debe sobrepasar los 4. L2. 23.4 ycr L2 LB L3 Murete final Figura XXIII-5: Estanque disipador para vertedero con caída libre.2. al final del capítulo.85 ycr y3= 2. su altura es 0. Muretes longitudinales (opcionales). Canal de aproximación.Drenaje vial para ingenieros viales 221 2. Deben tener una abertura de 45° y la pendiente de su borde superior debe ser de 1:1. la profundidad en la salida sería igual a yn. 4. No benefician ni perjudican desde el punto de vista hidráulico y su utilidad es solamente estructural.55 ycr [XXIII-1] Proporciones de los tacos. n y h0.2. Si . el muro lateral deberá tener una altura de 0. no es necesario ventilar el espacio debajo del chorro de agua. c) Se calcula la altura de agua mínima en la salida y3=2. La cresta del vertedero debe: a) Estar a la misma altura que el canal de aproximación. 6. Se deben colocar coincidiendo con los tacos y no entre ellos. Muro lateral. la que pasa por el vértice derecho inferior. Si se utilizan. c) Se debe recubrir o proteger con enrocado una distancia aguas arriba de 3ycr. 3. 5. se traza una recta vertical hasta cortar la escala de la parte superior y se lee la relación L1/ycr correspondiente.15 ycr. 8. L2= 0. Nivel del agua a la salda.75 ycr por lo que el valor mínimo de LB se calcula como LB= L1+ 2. de forma que haya continuidad en la superficie del flujo. Al final. Q.4 ycr. a) Los datos disponibles son los siguientes: dimensiones del canal.8 ycr. Los tacos deben ocupar entre el 50% y el 60% del ancho del disipador. Desde allí.4 ycr con tolerancia de ± 0.4 ycr. 7. 23. Esta altura será de 0. Espaciamiento entre ellos= 0. b) Se calcula la profundidad normal yn en el canal de salida y la altura crítica ycr en la cresta del vertedero. aguas arriba y abajo. el fondo del estanque se deberá colocar (y3-yn) por debajo del canal de salida.15 ycr.8 ycr L3>1. Ancho y largo= 0.2.15 ycr. La profundidad y3 del agua en el estanque debe ser por lo menos y3= 2. Si el canal de aproximación se proyecta según el punto 8.4 ycr con tolerancia de ± 0. g) Si por alguna circunstancia no se hubiera podido bajar el fondo del estanque. Altura del murete final. La planta de los tacos debe ser un cuadrado Altura= 0. que puede ser mayor o menor que y3. 9. Las aletas.85ycr por encima del nivel del agua en el canal de salida. es decir.15 ycr. igual a la del murete final. Procedimiento del cálculo. d) Se calcula h2= h0-y3 e) Si la altura normal yn en el canal de salida h2 h0 y3 yn y 3 -y n es menor que y3. f) Se encuentra la longitud L1 en el gráfico de la figura XXIII-6 trazando una horizontal por la relación h0/ycr hasta cortar la curva en la que la relación h/ycr= 0. b) El ancho W0 de su fondo debe ser igual al ancho del vertedero. . para calcular L1 se procede de la siguiente manera: se calcula la altura h2’ como h2’= h0 –yn. Para hallar la relación L1/ycr se entra en el gráfico XXIII-6 con la relación h0/ycr y se corta la curva que corresponda a la relación h/ycr para desde allá subir una vertical hasta cortar la escala de L1/ycr. por lo que la longitud L1 debe ser mayor. en ese caso. existe el peligro de que el chorro caiga fuera de la zona protegida por el estanque y se produzca socavación. Encontramos la diferencia entre estas dos relaciones. En este caso. a la que llamaremos h/ycr= h2’/ycr – h2/ycr.222 Drenaje vial para ingenieros viales fuese mayor. e) Se calculan los demás elementos según lo descrito en el punto anterior. Con este valor se encuentra la relación h2’/ycr ≠ h2/ycr. el chorro dentro del agua se aleja de la pared vertical y. Drenaje vial para ingenieros viales 223 Figura XXIII-5: gráfico para la determinación de la longitud L1. (35). . Los valores negativos de h2/ycr corresponden al chorro de la trayectoria libre. Fuente: Ref. 1. En este capítulo se describirán tres métodos de disipar la energía: uno que emplea el enrocado y dos que aumentan la rugosidad del contorno rígido para provocar el resalto. en la protección de las costas contra el oleaje y la construcción de disipadores de energía que. 24.224 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXIV DISIPADORES DE ENERGÍA POR AUMENTO DE LA RESISTENCIA Una forma de disipar la energía de un flujo es provocar el resalto aumentando la resistencia del contorno mediante el aumento de su rugosidad. EL ENROCADO El enrocado consiste en una capa de piedras de gran tamaño que se colocan sobre el suelo y sirve para protegerlo de las altas velocidades del agua. los bajos caudales de diseño y los altos costos de construcción hacen poco útiles a la mayoría de ellos. Las formas más frecuentes de aumentar la rugosidad son mediante el revestimiento del canal de salida con un enrocado y mediante la creación de rugosidad artificial en el recubrimiento de concreto. además de proteger el suelo. teniendo cuidado de que no se produzca la disgregación de los diferentes tamaños de diámetro. disminuyendo así la velocidad y provocando el resalto hidráulico. ™ Los bordes del enrocado se protegerán de la forma y medidas con que se muestra en la figura XXIV-1. Se emplea con frecuencia en el revestimiento de canales. Sin embargo. ™ El diámetro medio de las piedras será el indicado en la figura XXIV-2 de la página siguiente. provocan el resalto por el aumento de la rugosidad. ™ El espesor de la capa de enrocado debe ser por lo menos igual al mayor tamaño de las rocas. en la protección de los rellenos de las carreteras que quedan a la orilla de un río. con peso específico mínimo de 2470 kg/m3. Son muchos los disipadores de esos tipos. El enrocado puede ser lanzado libremente. expresada en función del diámetro medio d50 será tal como se muestra en la tabla XXIV-1. . en la protección de parte de los canales no revestidos y naturales. zampeado. ™ Las rocas deben ser angulosas. colocado a mano. resistentes a la abrasión. No se aceptarán piedras redondeadas. Al aumentar la rugosidad aumenta el esfuerzo cortante de la fricción. Según la referencia (38): ™ Se separará el enrocado del suelo mediante un geotextil apropiado a la granulometría del suelo (44). La forma más fácil y más eficaz es el arrojar las rocas sobre la superficie a proteger. etc. ™ La granulometría. . confinándola dentro de sus límites. DISIPADOR DE ENROCADO Consiste en una capa de material granular de dimensiones y granulometría adecuadas que protege el suelo en la salida de la alcantarilla y.Drenaje vial para ingenieros viales 225 T T Min.2. aumenta la rugosidad del suelo provocando el resalto hidráulico. Fuente: Ref. adicionalmente. Estos disipadores permiten un cierto grado de socavación. (38) TAMAÑO DE % PESO TOTAL LA PIEDRA MENOR 3 d50 2 d50 1 d50 0.1 d50 100% 80% 50% 10% Geotextil Figura XXIV-1: proteción en todo el contorno del enrocado 24. 2T 2T 2T 2T TABLA XXIV-1 GRANULOMETRÍA REFERIDA AL DIÁMETRO MEDIO d50. Fuente: Ref.226 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXIV-2: Tamaño medio del enrocado que resiste el desplazamiento para varias velocidades. (38) . Este disipador es aplicable para alturas de agua en la salida menores que la altura del agua en el tubo.Drenaje vial para ingenieros viales 227 Existe un diseño de disipador de enrocado con un estanque. de uso muy extendido y descrito ampliamente en la bibliografía disponible (8). pero como en Venezuela no se dispone de esa pieza. Es por ello que se ha incluído la descripción del dispositivo para el control de la socavación y la energía descrito en la referencia (37). Fue desarrollado en la Universidad de Colorado para el Wyoming Highway Department y se puede emplear cuando a la salida de la alcantarilla hay un cauce bien conformado. pero se encontró que es mucho más eficiente el sistema con murete que sin él. En estos casos habrá que proteger especialmente la salida de la alcantarilla. no se podrá utilizar el disipador mencionado. Puesto que el costo de tal murete es bajo. El uso del murete al final del cabezal es opcional. se ha sustituido por un cabezal con las mismas dimensiones que las de dicho terminal. En caso de que pendiente sea alta. que es el caso descrito. (9) y (36). Este disipador consiste en una capa de enrocado de forma trapecial. Aunque tiene ciertas restricciones. pero el método se considera aplicable a pendientes suaves. tal como se ve en la figura XXIV-3. En la descripción del método de cálculo se mantuvo el sistema de unidades inglesas. Los ensayos se hicieron con pendiente longitudinal igual a cero. al no existir un cauce definido. Las variables que intervienen son: . puede resultar útil en estos casos. por lo cual no se incluirá en este trabajo. Pero. En la salida del modelo utilizado para su desarrollo se utilizó una pieza terminal prefabricada. lo cual es el caso que se presenta cuando la alcantarilla no tiene un cauce definido. muchas veces. parece recomendable su utilización en todos los casos. el cual utiliza enrocado y un murete a la salida y está diseñado para alturas de agua en la salida menores que el tamaño de la tubería. ya que la granulometría del suelo en la ladera es generalmente más fina que en el cauce de una quebrada pero. el terraplén interrumpe el drenaje de una ladera y las alcantarillas se deben disponer en un lugar en que no existe un cauce definido. se recomienda utilizar un diseño conservador. 5D Vperm 2. D = diámetro de la tubería. a = área de la sección mojada en el mismo punto. en ft. dp = profundidad del agua en el mismo punto. en ft2. Fuente: Ref. en ft. φ = Tamaño medio de las rocas. en ft2.50 por debajo del enrocado Figura XXIV-3: disipador de enrocado.3D VP dP D ds 0. en ft. sin estanque. en ft/s. Wb = Ancho de la base menor del trapecio que forma el disipador. .8D n L m A A SECCIÓN A-A Murete h= 0.5D 0. A = área del tubo. (37) Q = gasto de diseño.228 Drenaje vial para ingenieros viales PLANTA Enrocado Murete L= D Aleta D Cabezal 2D Aleta Wb 1. Vp = velocidad del agua al final del tubo. en ft3/s. Vperm= velocidad del agua permisible a la salida en ft/s. 950.7 0. dP / D Figura XXIV-4: Forma adimensional de profundidades contra el factor de descarga.p.4 0.6 0. Multiplicando (a/A).000 . e) Velocidad VP en la salida del tubo: La velocidad del agua en la salida será igual a Q/a. 1.252 0. velocidad permisible Vperm (f.5. c) Relación dp/D: Entrando en la figura XXIV-4 con Q/D2.3 0.052 0. MÉTODO DE CÁLCULO a) Datos del problema: se conoce el gasto de diseño Q.5.8 0. diámetro de la tubería D (ft.2.626 0.0 a/A 0. se obtiene el área a.s) B) FACTOR DE DESCARGA: SE CALCULA EL FACTOR DE DESCARGA= Q/D2.500 dp/D 0. a/A 0. (37) dp/D 0.A.2 0. se obtiene la relación dp/D de la profundidad dp del agua al final del tubo y el diámetro D del mismo.9 1.143 0.858 0. Fuente: Ref. (37) TABLA XXIV-2 RELACIÓN A/a.1 0.373 0.Drenaje vial para ingenieros viales 229 24.1.).748 0. Fuente: Ref.5 d) Área a de la sección mojada: Entrando con dp/D en la tabla XXIV-2 se obtiene la relación a/A entre el área de la sección mojada y la de la tubería. g) Determinación de la longitud: Se entra en las tablas XXIV-3 a XXIV-7 de la siguiente página con el factor de descarga Q/D2. para diferentes relaciones D/φ (D= diámetro de la tubería y φ= tamaño medio de las rocas). Algunas tablas corresponden a una salida sin murete y otras con el murete. . a mayor tamaño del enrocado (D/φ menor) corresponde una menor longitud de disipador. Pero si se va a emplear este disipador en pendientes altas.3D. Este segundo caso es el más eficiente. como el uso del murete hace mucho más eficiente el sistema. m:n= 1:1. Divergencia de los costados: con murete.2. Los bordes del enrocado se protegerán con un brocal de la misma profundidad.2.230 Drenaje vial para ingenieros viales f) Relación de disminución. disponer la construcción del mismo con las dimensiones encontradas anteriormente. 24. Dimensiones del murete son: largo= D. el grosor no influye. los ensayos se realizaron con un modelo de pendiente longitudinal igual a cero. se puede calcular un disipador sin murete y.5. hasta 0. alto= 0. entre la velocidad permisible Vperm y la velocidad a la salida del tubo Vp. Por ejemplo. después. h) Otras dimensiones: Base menor del disipador Wb= 3D.75. Espesor del enrocado: por lo menos el tamaño mayor de las rocas (38). sin murete m:n= 1:3. se debe ser conservador en el diseño. Los autores del estudio admiten que el método es admisible para pendientes suaves. Recomendaciones Como se dijo al principio.00. El cabezal se protegerá prolongando el murete hacia abajo. Como se puede observar en las tablas.50 m por debajo del enrocado. Se encuentra la relación Vperm/Vp de la disminución necesaria de la velocidad. Cada tabla corresponde a una relación de disminución de la velocidad y en ellas se encuentra la relación L/D (L= longitud necesaria y D= diámetro de la tubería). 00 4.05 8.00 4.00 4.00 TABLA XXIOV-4 Relación de disminución v/VS= 0.50 7.30 8.00 3.50 8.00 1.40 6.75 8.30 9.95 4.00 5.80 7.55 6.10 9.20 5.25 3.00 7.00 6.85 760 8.35 9.00 7.00 5.00 8.70 7.85 8.25 2.35 6.05 6.00 6.00 6.00 7.00 4.50 7.50 2.55 7.60 9.60 7.00 4.10 5. TABLA XXIOV-3: Relación de disminución v/VS= 0.70 7.20 6.65 6.5 1.80 6.75 3.5 sin murete Q/D2.05 6.95 10.90 6.95 5.75 4.75 7.20 8.65 6.4 D/φ=6 D/φ=4 D/φ=3 10.15 8.00 D/φ =8 9.00 1.35 7.50 6.00 6.25 2.15 9.80 6.60 L/D para v/VS= 0.45 9.75 4.00 6.75 6.30 5.00 7.00 6. V PER M .75 9.20 9.70 6.95 7.25 3.05 4.50 7.00 D/φ=8 10.00 D/φ=2 6.30 6.10 6.30 8.85 5.75 9.50 5.50 7. FIN F i g u r a X X I V .00 6.75 8.4 sin murete Q/D2.50 1.85 9.50 7.90 7.40 7.30 7.70 8.05 6.55 9.20 7.50 3.20 8.75 7. X X IV -4 dp / D e) Vp = Q/a h) o t r a s d im .40 10.15 9.50 4.00 3.30 6.75 5.45 8.35 7.80 4.00 2.45 9.95 6.80 8.45 6.5 d )2 a= (a/A ). A g) ta b la s X X IV -3 a 7 L/D c) D e l a f ig .05 6.00 6.50 8.85 7.65 7.90 6.25 4.50 2.60 8.45 5.00 6.05 8.00 6.25 6.10 5.10 5.40 8.40 6.25 1.00 6. d ROCAS d )1 D e ta b la X X IV -2 .55 10.45 6.15 7.00 6.30 6. (a/A ) f) R E L.00 6.90 6.20 10.00 6.5 : D ia g r a m a d e f lu j o d e l c á l c u lo .85 10.35 5.70 10.00 6.85 5.50 3.65 6.90 6.75 3.00 6.75 8.50 1.00 6.00 6.60 7.45 6.00 .25 5.70 5.00 D/φ=2 9.85 9.50 7.55 6.00 4.10 8.60 7.40 6.40 8.25 5.05 7.70 9. D IS M .50 8.75 8.75 2.85 7.50 5.5 D/φ=6 D/φ=4 D/φ=3 8.05 7. D .85 7.25 4.75 5.70 6.05 6. V PERM / V P b) FA CTOR D E D ESCARGA Q / D 2 .25 8.25 1.90 8.75 6.75 6.25 7.25 7.75 6.60 9.95 7.55 8.60 5.05 9.35 9.25 6.00 2.65 8.50 4.45 5.90 8.40 8.Drenaje vial para ingenieros viales 231 TO D O S LOS D A TOS ESTÁ N D AD O S EN FT.45 L/D para v/VS= 0.10 9.00 6.00 5.20 4.70 5.75 2.25 6.30 6.95 8.00 4.00 9.5 1.15 4.00 6.15 6.25 6.10 8. a) DATOS: Q .35 9.00 7. 75 8.05 6.00 5.75 6.25 6.00 4.00 9.80 11.25 10.00 6.05 7.00 6.00 5.00 11.00 2.75 4.30 6.65 9.10 0.00 3.45 Q/D2.05 6.75 5.00 6.75 6.95 12.50 7.50 6.70 6.10 11.75 2.80 8.20 9.3 D/φ=6 D/φ=4 D/φ=3 8.90 0.25 6.3 CON MURETE Q/D2.65 11.2 D/φ=6 D/φ=4 D/φ=3 8.55 10.50 7.50 3.90 9.75 10.00 5.50 6.50 4.00 7.00 4. en la ecuación de Manning la rugosidad n está en el denominador.00 10.00 6.00 6.30 7.75 2.50 D/φ=8 L/D para v/VS= 0.05 4.70 11.00 6.50 6.25 1.00 1.00 5.00 8.85 7.60 10.50 7.85 11.00 2.00 7.35 4.00 6.25 3.25 2.50 8.80 7.50 9.65 8.00 11.90 10.25 1.25 3.20 6.30 10.00 8.75 3.00 6.00 6.20 5.00 6.80 12.75 2.75 10.00 11.25 9.10 7.00 5.20 11.80 8.00 4.45 9.55 5.00 5.50 4.40 10.00 4.25 7.60 10.00 6.00 13.75 5.00 6.00 4.90 8.15 9.00 2.00 7.70 4.20 7.00 4.05 9.95 7.80 12.80 10.25 7.35 7.00 24.35 7.25 7.00 TABLA XXIV-7 Relación de disminución v/VS= 0.50 1.45 6.85 11.15 9.5 1.00 3.50 9.70 6.60 10.50 10.65 7.40 6.50 8.95 9.70 6.50 4.00 6.60 6.04 6.50 1.00 8.50 D/φ=8 9.15 9.00 5.50 1.30 8.65 10.00 5.50 7.50 9.75 9.00 11.75 7.75 4.00 4.30 5.80 D/φ=2 9.80 6.75 6.00 4.55 6.30 8.00 13.50 5.10 4.00 6.75 6.35 6.50 11.90 6.30 6.65 8.00 4.65 10.00 1.05 7.35 8.75 5.25 7.10 10.65 10.85 11.85 5.40 5.25 5.75 7.65 8.00 L/D para v/VS= 0.50 7.35 10.25 2.70 10.50 9.60 8.25 5.75 6.00 5.75 3.45 10.80 8.90 8.00 6.5 1.50 5.50 2.5 4.80 9.25 4.00 6.50 2.20 6.50 5.45 6.00 1.30 9.00 8.90 6.3 sin murete Q/D2.20 4.00 6.50 8.55 6.35 12.50 4.25 1.88 6.10 10.10 6.85 8.50 7. DISIPACIÓN DE ENERGÍA POR AUMENTO DE LA RESISTENCIA Como se recordará.30 6.50 7.10 10.75 7.25 6.90 11.85 12.00 TABLA XXIOV-6 Relación de disminución v/VS= 0.80 6.60 7.00 4.35 4.60 6.60 7.75 5.00 9.00 4.20 7.30 9.15 7.00 5.2 CON MURETE Q/D2.05 10.75 10.05 11.30 10.60 6.3 D/φ=3 10.75 L/D para v/VS= D/φ=6 D/φ=4 11.00 4.50 7.2 D/φ=3 10.80 9.90 9.40 7.00 6.50 3.25 6.95 10.10 10.45 10.65 7.00 D/φ=2 7.40 8.10 9.60 6.25 4.55 8.90 11.85 10.20 6.00 6.50 2.25 4.60 6.75 6.90 4.00 8.00 4.00 6.40 8.80 5.70 6.95 7.80 12.50 3.95 11.5 1.00 9.00 4.20 7.85 8.40 10.00 5.00 8.30 11.75 6.80 7.60 9.45 10.50 8.40 8.65 9.20 10.05 5.45 9.40 10.00 10.65 5.90 7.40 D/φ=2 10.00 4.65 10.15 10.50 8.20 11.75 4.75 6.65 12.30 9.75 9.90 8.20 10.50 12.25 10.00 7.00 6.65 8.3.20 8.50 8.00 6.70 L/D para v/VS= D/φ=6 D/φ=4 12.75 7.00 D/φ=8 12.75 7.50 4.50 7. por lo que el incremento de la rugosidad del contorno del conducto de .10 9.15 8.75 11.05 5.00 10.232 Drenaje vial para ingenieros viales TABLA XXIOV-5: Relación de disminución v/VS= 0.15 5.40 11.25 3.25 2.00 3.45 9.00 D/φ=2 7.00 6.80 11.25 4.75 6.60 9.75 3.25 5.50 D/φ=8 12. los cuales están descritos en la referencia (36). Vn L yn 2h L h L yi Figura XXIV-6: esquema de los elementos de rugosidad. La aplicación de este procedimiento se limita. (36) .S. a alturas de los elementos que no sobrepasen el 10% de la profundidad del flujo y pendientes que no sobrepasen el 6%. 24. a todo su ancho. son voluminosas y bastante costosas (8) (9) (36). En esta categoría de disipadores se encuentran muchos muy utilizados en todo el mundo: los desarrollados por el U. como suele ser lo habitual. Son relativamente bajos y parte del cálculo consiste en determinar qué longitud del conducto deben ocupar para obtener la disipación de energía esperada. En el drenaje vial se necesitan estructuras más sencillas. para gastos más modestos y cuyo costo no sea tan elevado.Drenaje vial para ingenieros viales 233 una alcantarilla comportará una disminución de la velocidad. INCREMENTO DE RESISTENCIA EN CAJONES DE CONCRETO Existen métodos para aumentar la resistencia en tuberías circulares. Estos elementos solamente son interrumpidos por aberturas que permiten el drenaje cuando cesa el flujo. dispuestos transversalmente y perpendiculares a la dirección del flujo (36). manteniendo la distancia L al elemento siguiente (figura XXIV-6). solamente en el piso del cajón. Antony Falls (SAF) Basin. tipos II a IV. Bureau of Reclamation (USBR). Fuente: Ref. y el St. Para aumentar la resistencia en cajones de concreto se emplea elementos de rugosidad continuos que pueden estar dispuestos en todo el contorno o. El método está limitado a elementos de rugosidad con aristas afiladas y sección transversal rectangular. pero la dificultad para construir los elementos de rugosidad en su interior hace este sistema de difícil aplicación (37). también. por otra parte. Es por ello que se está incluyendo dos formas muy simples de disipar la energía mediante el aumento de la rugosidad: el incremento de la rugosidad en cajones de concreto y el estanque de contorno rígido desarrollado por la Universidad de Colorado (CSU). El primer elemento situado aguas arriba debe tener el doble de altura que los demás.4. Estas estructuras han probado ampliamente su eficacia. pudiendo llegar a generar el resalto hidráulico. pero están destinadas a disipar la energía en el pie de una caída y. n = rugosidad del concreto.234 Drenaje vial para ingenieros viales 24.2. se obtiene el primer valor de hi a partir de la relación h/R asumida en el paso 2. 7. Las ranuras. en ft. Cuando los elementos de rugosidad se extienden en todo el contorno. Se determina la relación nr/n entrando en el grupo inferior de curvas de la figura XXIV-7 con LR/P y cortando la curva correspondiente a la relación h/Ri seleccionado previamente y se obtiene nr/n.4. R = radio hidráulico correspondiente a la primera relación h/R asumida. en ft. solamente se apliquen los elementos al fondo. solamente es necesario tomar en cuenta las nuevas dimensiones de los elementos. . Ri= radio hidráulico correspondiente a la altura de agua sobre los elementos en la iteración i. 3. Vi= velocidad del agua en el cajón con rugosidad añadida. en ft. Para extender la rugosidad a otras partes o a todo el contorno. en ft. como es lo usual. Se selecciona una relación h/R tal que 0. en el cálculo son: h= altura de los elementos de rugosidad. en ft. El cálculo se hace por aproximaciones sucesivas y es como sigue: 1. Su ancho no debe sobrepasar h/2. Así. Ai= área mojada medida por encima de los elementos de rugosidad. en ft. Se comienza con una relación L/h= 10. incluidas las ranuras para drenaje (puede llegar a ser igual al perímetro del cajón). LR= Longitud total de los elementos. 5. D = alto del cajón. Se determina la altura tentativa yi del agua medida por encima de los elementos de rugosidad. Para ello: a) Tomando el primer radio hidráulico igual a Ri= BD / 2(B+D). Suponiendo que. Primera iteración.015. Se disponen para permitir el drenaje con gastos pequeños e impedir los charcos. hi= (h/R). n= 0. 24.10 ≤ h/R ≤ 0. Se calcula LR/P.4. en m/m. Procedimiento de cálculo Se describirá únicamente el procedimiento para la colocación de rugosidad en el fondo del cajón.40. siendo Ri el calculado en este punto (el subíndice i indica el número de la iteración). LR/P= 1. L= separación entre los elementos. P = perímetro mojado. ya que este es el caso más frecuente. VARIABLES. en ft2. Se asume que el cajón funciona a sección plena. P = 2(B+D) LR= B 6. S0= pendiente longitudinal del cajón. yi= altura del agua sobre los elementos de rugosidad en la iteración i. 4. nr= rugosidad resultante por la adición de elementos de rugosidad. 2. en ft. B = ancho del cajón.Ri.1. 49 S0 2 /nr a ser empleada en la ecuación de Manning. con aristas vivas. como las unidades están en el sistema inglés. Se calcula la constante C= 1. espaciadas a L= 10h. la ecuación de Manning se debe multiplicar por 1.49. (36) . Fuente: Ref.Drenaje vial para ingenieros viales 235 b) Se asume un valor inicial de yi como yi= D-hi. c) 1 Se calculan Ai y Ri como i= Byi Pi= (B+2yi) ⇒ Ri= Ai/Pi Figura XXIV-7: Curvas de rugosidad relativa para elementos rectangulares de rugosidad. Obsérvese que. 4 lbs/ft3 CD= 1. Si es menor. e) Se compara la capacidad Q calculada con el gasto de diseño Qdis. d) y e) hasta que Q y Qdis son aproximadamente En los pasos 10 y 11 se verifica la altura del conducto para asegurar su capacidad. Se calcula N. Af = área frontal de un elemento de rugosidad. Para un elemento del fondo Af= B. se disminuye yi. Ri= Ai / 2(B+yi) d) Se calcula la capacidad Q mediante la ecuación de Manning: Q= C Ai Ri2/3 e) Se compara Q con Qdis.94 lb. se adopta una nueva relación h/Ri y se repiten los pasos 2 al 8. Se calcula la velocidad Vi usando el área Ai de la última iteración: Vi= Q/Ai. Si Q<Qdis se aumenta yi y si Q>Qdis. Se compara Vi con la velocidad permisible y. el número de elementos necesarios mediante la ecuación: [XXIV-1] 0. Se calculan las dimensiones: h del paso a). 9. iguales. f) Se repiten los pasos c). el primer elemento tendrá una altura doble a los demás h1= 2h.5γByn 2 + ρQVn= (N) CDAfρVw/2 + 0. Se verifica la altura del conducto y se calcula la profundidad del flujo mediante aproximaciones sucesivas: a) Se calcula de nuevo hi utilizando el Ri encontrado en el paso 7: hi= (h/Ri) / Ri b) Se hace yi= D-hi. 12.236 Drenaje vial para ingenieros viales d) Se calcula la capacidad Qi para estas condiciones mediante la ecuación de Manning: Q= C Ai Ri 2 3 . 11. N = número de elementos de rugosidad requeridos. Se determina un nuevo nr/n utilizando el grupo superior de curvas de la figura XXIV-7 usando la relación LR/P encontrada en el paso 3. 10. . 8.seg/ft VW= velocidad media que actúa sobre los elementos. si es excesiva.5γByi2 + ρQVi donde: γ = peso específico del agua= 62.49 S01/2 / nr c) Se calcula Ai y Ri: Ai= Byi. Se calcula C= 1. Se encuentra nr.h. VW= Vmedia/3= =(Vn+Vi)/6. 13.9 yn= profundidad normal en el cajón sin rugosidad añadida Vn= velocidad idem. L= 10h. Si Q ≥ Qdis. Se usa el último valor de D encontrado como la altura del cajón en el tramo con rugosidad aumentada. el tamaño del conducto es suficiente. ρ = 1. hay que aumentar D y repetir los pasos b) a e). P i = 2(B+ y i ) R i= A i /P i A um en tar D F IN NO 11d C ap acid ad Q = C A iR i 2 /3 11e ¿Q ≥ Q dis eñ o ? SÍ C álcu lo elem en tos 7b y i= D -h i C = 1 .1 ≤ h/R i≤ 0. X X IV -5 d el g ru po inferio r d e cu rv as nr /n 11b R ecálcu lo de y i y i= D -h i C = 1 . XX IV -1 N 6 F ig .4 9 S 0 1 /2 / n r Figura XXIV-8: Diagrama de flujo del cálculo. . P = 2 (B + D ) R i= A / P d e p as o 2 h i = (h /R /R i 11c A i= By i .4 9 S 0 1 /2 / n r 11a R ecálcu lo de h i = (h i /R i)R i (R i d e 5 c) 10 G rup o s up erio r d e cu rv as F ig .Drenaje vial para ingenieros viales 237 1 L/ h = 1 0 7c A i= By i P i = B+ 2y i R i= A i /P i 2 S eleccio n ar 0 .4 7d C ap acid ad Q = C A iR i 2 /3 A um en tar yi D is m in u ir yi SÍ 3a P = 2 (B + D ) C as o no rm al: LR= B R an uras< h /2 5e ¿Q ≈ Q d iseñ o ? SÍ NO ¿Q < Q dis e ñ o ? NO 8b 8a V i= Q / A i 3b LR/P C a m b iar h /R i ¿V i ≤ V pe rm ? NO SÍ 9 E q. X X IV -5 co n L R d e 3 n r/ n 7a A = BD . 238 Drenaje vial para ingenieros viales 24. . Aunque los ensayos se realizaron con una salida con ensanchamiento abrupto. ESTANQUE DE CONTORNO RÍGIDO (CSU) En este caso tampoco se ha cambiado el sistema de medidas. tal como se muestra en la figura XXIV-9. dejándolo en el sistema inglés (ft. tal como la mostrada en la figura XXIV-9. lb. la configuración recomendada es una combinación de ensanchamiento progresivo y abrupto.5. por ser el método empírico. seg) ya que. el cambio de las unidades influiría en los coeficientes empleados. Fuente: Ref. ue 1 W1 W0 W1 Wb V0 y0 VA yA L VB yB 0 2W0 A LB B Figura XXIV-9: esquema del disipador. (36) Este disipador (36) utiliza filas de elementos de rugosidad dispuestos en un cabezal a la salida. dispuestos al tresbolillo y simétricos con respecto al eje del disipador. Consta de un número N de elementos de rugosidad. en ft2 CB= coeficiente de resistencia de cada elemento de rugosidad (de fig. para relaciones de expansión del ancho 4 ≤ WB/W0 ≤ 8.seg/ft y0= profundidad del agua en la salida.4 lb/ft ρ =densidad del agua= 1. en ft Va= velocidad del agua a una distancia 2W0 aguas abajo de la salida en ft/seg VB= Velocidad del agua. γ Volumen aproximado= (y0 W0+yAWA) W0 + (0.Drenaje vial para ingenieros viales 239 El coeficiente de resistencia CB de cada elemento viene dada en la figura XXIV-17. en ft/seg WB= ancho en la salida del disipador. justo debajo de la última hilera de elementos de rugosidad. obtenido de la figura XXIV-16. se necesita tener en cuenta el peso del agua en el resalto.75 LQ/VB) [(Nr-1)-(WB/W0-3)(1-WA/Wb)/2] Nr= número de hileras de elementos de rugosidad θ = Arco tangente de la pendiente S0 del canal L= espaciamiento longitudinal entre hileras de los elementos . al final del capítulo.94 lb. en ft V0= velocidad idem. por lo que en esos casos se puede usar la ecuación [XXIV-4] que se da a continuación: 2 C B A f NV A ρ C P y 0 W0 γ Q 2γ + V0 Q ρ + w sen θ = + +VB Q ρ 2 2 2 2V B W B 2 [XXIV-4] donde: w= peso del agua en el disipador= volumen. en ft/seg W0= ancho del conducto en la salida. γ = peso unitario del agua= 62. al final del capítulo. XXIV-17) La ecuación [XXIV-3] puede ser empleada en pendientes iguales o menores del 10%. Para disipadores con mayor pendiente. en ft N = número de elementos de rugosidad Af = área del frente de un elemento de rugosidad completo. La divergencia de los muros laterales ue se calcula como: ue= 4/7 + (10/7)L/W0 La ecuación básica para el cálculo de este tipo de disipador es: ρV0Q + CP γ [XXIV-2] [XXIV-3] y0 C A NρV A W0= B F 2 2 2 2 + ρVBQ + γQ 2 2VB WB 2 donde: CP= coeficiente de corrección por la presión en la salida. pero la información de esa figura puede ser empleada en relaciones entre 2 y 4 siempre que se conserve el mismo número de elementos. 240 Drenaje vial para ingenieros viales La velocidad VA y la PLANTA A Q Alcantarilla profundidad yA en la primera hilera Rigidizador W1 W1 W0 W1 L de elementos para pendientes S0 ≤ A 10% pueden ser determinadas mediante las figuras XXIV-12 a XXIV-15 al final del capítulo. γ = peso unitario = 62. Fuente: ref.2 [XXIV-6] 24.seg/ft y0= profundidad del agua en la salida.4 lb/ft3 ρ =densidad del agua= 1. se pueden producir derrames. en ft V0= velocidad idem. tal como se describe en la figura XXIV-10.5(VA sen 45°)2/32.94 lb.25 ⋅ ⎜ ⎜W y ⎝ A A 2W0S0 + yA + 2g =y0 + 0. se puede disponer un borde libre suficiente o colocar una plancha metálica de ancho igual a L/2. (36) yc= y crítica h2= altura del rigidizador donde WA= W0 (4/3(Fr)0+1).5.1 Lista de variables CP= coeficiente de corrección por la presión en la salida. con un rigidizador. El borde libre (BL) se calcula mediante la siguiente ecuación: BL= h+yA+0.25 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 2 = V2 2g [XXIV-5] Figura XXIV-10: plancha protectora de derrames.5yc+h+h2 SECCIÓN A-A Rigidizador ya ⎛ Q 0. en ft/seg W0= ancho del conducto en la salida . Para pendientes So>10% VA y YA pueden ser obtenidos mediante la L/2 siguiente ecuación: Defensa de acero contra derrames h2 h h3≈ 1. Para prevenirlos. Si la velocidad de aproximación a la primera fila de ele- mentos de rugosidad es alta y estos son grandes. obtenido de la figura XXIV-19. y anclada en los muros laterales. con su arista aguas arriba coincidiendo con la cara de la primera línea de elementos y a una altura h3. N.75 LQ/VB) [(Nr-1)-(WB/W0-3)(1-WA/Wb)/2] Nr= número de hileras de elementos de rugosidad θ = Arco tangente de la pendiente S0 del canal L= espaciamiento longitudinal entre hileras de los elementos. se regresa al paso 2 y se elige una nueva configuración. justo abajo de la última hilera de elementos de rugosidad. Para pendientes S0>10% se utilizará la ecuación [XXIV-5] para hallar VA y yA. De la figura XXIV-17 se elige la configuración del disipador que se pretende desarrollar de acuerdo con el sitio en que se construirá y se obtiene: WB/W0. en ft VB= Velocidad del agua.5. 1. b) Si el ancho del cauce natural en la salida es más ancho que el del disipador. si el valor así hallado es igual o mayor que el hallado mediante las ecuaciones. en ft W1 = ancho de los mismos= separación entre ellos.2 Proceso del diseño. 2. se usa la ecuación XXIV-3 o la XXIV-4 para hallar el valor de CB AF N Se calcula el mismo valor mediante los valores hallados en el paso anterior y. Se determinan los parámetros del disipador: h= altura de los elementos L= distancia entre las hileras de elementos WB= ancho del disipador W1= ancho de los elementos= separación entre los elementos ue = divergencia de las paredes Cb = coeficiente de resistencia de cada elemento de la figura XXIV-17 AF = área frontal de un elemento = W1h CP= de la figura XXIV-16 LB = 2W0 + LNr 5. en ft N = número de elementos de rugosidad Af = área del frente de un elemento de rugosidad completo. γ Volumen aproximado= (y0 W0+yAWA) W0 + (0. Se obtiene VA y yA mediante las figuras XXIV-12 a XXIV-15 para una relación de ensanchamiento 4<WB/WA<8. en ft2 w= peso del agua en el disipador= volumen . el diseño es satisfactorio. Se calculan los parámetros del flujo a la salida de la alcantarilla: V0. A continuación se calculará: a) Si en la salida el ancho del cauce natural es aproximadamente igual al ancho del disipador WB. se encuentra el valor de VB de las ecuaciones XXIV-3 o XXIV-4 y se compara . h/yA y L/h 3. en ft h = altura de los elementos de rugosidad. 4. Si fuera menor. y0 y Fr (número de Froude). Nr. en ft WA= W0 (4/3Fr+1) 24. en ft/seg WB= ancho en la salida del disipador.Drenaje vial para ingenieros viales 241 Va= velocidad del agua a una distancia 2W0 aguas abajo de la salida. F 0 5b ( C BA FN ) 2 d e e q . X X I V . Se hace el croquis del disipador: a) Los elementos de rugosidad serán simétricos con respecto al eje longitudinal. . Se debe proteger el suelo a la salida del disipador.00 m. L/ h C a m b ia r c o n f ig u r a c ió n SÍ ¿ ( C BA FN ) 1< (C BA FN ) 2 ? NO A n cho can al >W B ¿4 < W B/ W 0< 8 ? NO W B/ W 0< 4 3 SÍ 3a F ig s . 6. X X I V . Se calcula yB y se compara con la altura del agua HS en el canal de salida: si es menor que HS.242 Drenaje vial para ingenieros viales con el flujo en el canal de salida para determinar el control de VB. e) Los elementos se dispondrán al tresbolillo. Se dispondrá un enrocado cuya longitud se fijará de acuerdo con la velocidad del agua resultante con un mínimo de 3. h / y A. D a t o s : Q d is. X X I V -3 o X X IV -4 SÍ ¿A ncho can al ≈ WB NO 2 D e fi g . 7.1 2 a 16 V a. N . N r. S 0 g e o m e tr ía 5a C a lc u la r ( C BA FN ) 1 c o n v a lo r e s d e 4 1 V 0 . esta última altura será la que controle el flujo. y a VB d e eq . d) Por lo menos la mitad de las filas deben tener elementos pegados a los bordes. c) La relación W1/h debe ser 2 ≤ W1/h ≤ 8. b) El espaciamiento entre ellos será aproximadamente igual al ancho W1 de los elementos.1 7 c o n f ig u r a c ió n d e l d is ip a d o r : W B / W 0 . y 0. X X IV -3 o 4 yB ¿yB < HS? VA ya 3b d e fig . X X I V 12 y 14 d e e c u a c ió n X X IV -5 4 C á lc u lo d e l o s p a r á m e tr o s d e l d is ip a d o r SÍ H S c o n t r o la e l flu jo FIN 7 P r o te c c ió n c o n e n ro cad o 6 C r o q u is d e l d is ip a d o r Figura XXIV-11: diagrama de flujo del proceso de cálculo. El tamaño de las rocas se obtendrá de la figura XXIV-2. Drenaje vial para ingenieros viales 243 . 244 Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales 245 . 246 Drenaje vial para ingenieros viales . (36) .Drenaje vial para ingenieros viales 247 Figura XXIV-16: Coeficientes de energía y momentum. Fuente: Ref. según Watts y Simons. Fuente: Ref.248 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXIV-17: Valores de diseño para elementos de rugosidad en disipadores. (36) . el Contra Costa. entre ellos el USBR tipo VI. su construcción es bastante complicada y. En este capítulo se describirá el disipador de energía Contra Costa y la torrentera que. EL DISIPADOR DE ENERGÍA CONTRA COSTA Este punto está tomado de la referencia (36). metálicos. en colaboración con el Condado de Contra Costa. en Berkeley. de “gancho”. El más difundido es el USBR tipo VI. de cualquier tipo de sección transversal y donde la profundidad del flujo en la salida sea menor que la altura de la alcantarilla. Sin embargo. b) ser autolimpiante. . Su funcionamiento es mejor en alcantarillas de tamaños pequeños a medianos. que está descrito prácticamente en todos los textos. su costo bastante elevado. en ciertas condiciones se puede utilizar con ese objetivo. c) funcionar por gravedad mientras no deba disipar energía. Existen muchos tipos de disipadores de impacto.Drenaje vial para ingenieros viales 249 CAPÍTULO XXV DISIPACIÓN DE ENERGÍA POR IMPACTO El impacto del agua contra una superficie plana y dura produce un cambio de dirección del flujo y una gran turbulencia que contribuyen a la disipación de la energía cinética indeseable. por tanto. 25. con el fin de minimizar los gastos de mantenimiento. etc. Este disipador fue desarrollado por la Universidad de California. d) construcción fácil y económica y e) ser aplicable a un amplio rango de tamaños de alcantarillas y condiciones de funcionamiento. aunque no siempre disipa la energía.1. Se trató de alcanzar las siguientes condiciones: a) restablecer las condiciones naturales del flujo a la salida de las alcantarillas. entrando con F2 en la figura XXV-2 se encuentran la altura h2 y la distancia L2 tentativas para la segunda pantalla del disipador.0 y. Para los cajones rectangulares. SECCIÓN A-A D ≤ W ≤ 3D Figura XXV-1: Disipador de energía Contra Costa. etc. El número de Froude F se calcula con la altura equivalente ye: F= V0/(gye)1/2.50 min. abovedadas.) la altura equivalente ye se calcula como ye= (A/2)1/2. Para otras secciones transversales (circulares. donde A es el área de la sección mojada de la tubería. Se asume una relación L2/h2 tal que 2. Fuente: Ref. ye es igual a la altura normal: ye= yn.5 ≥ L2/h2 ≥ 7.250 Drenaje vial para ingenieros viales A y2 h1= h2 /2 V0 h2 y3 y0 h3 Enrocado L1= L2/2 L2 LB A D 1 1 h2 h1 L3 0. Según la figura XXV-1. (36) Se comienza el diseño hallando la altura equivalente del flujo ye correspondiente a la sección mojada en la salida del conducto. L2 es la distancia desde el final del tubo hasta la segunda pantalla y h2 la altura de esta. Si las condiciones del sitio lo . Cuando no haya un cauce bien definido. Este disipador solamente se puede emplear bajo las siguientes limitaciones: 2. Si el resultado obtenido no se ajusta a los requerimientos del sitio. Se asume la relación L2/h2: 2. para otras formas.5. es aplicable este disipador. L2 y L3.06y3 ≥ h3 ≥ 0. La altura h3 del murete final será 0. Se elige el ancho del disipador de acuerdo con las condiciones del sitio.2. Entrando después en la figura XXV-3 con L2 y la relación L2/h2 asumida.0 D ≤ W ≤ 3D y0 ≤ D/2 S0 ≈ 0 Pendiente de los taludes 1:1 1. ye= y0.1. Analizar las condiciones del flujo en la salida del tubo para el gasto de diseño. donde D es el ancho del conducto de la alcantarilla. cuando la altura del agua y3 en el canal de salida es muy pequeña. La altura h1 de la primera pantalla es igual a la mitad de la altura de la segunda pantalla: h1= h2/2 y su distancia L1 desde la salida del conducto es igual a L2/2. Método de diseño. ye= altura equivalente empleada en el cálculo. y0= profundidad del flujo normal a la salida de la alcantarilla. se obtiene la longitud L3. Calcular ye: para cajones rectangulares. 4. L2= distancia desde la salida hasta la segunda pantalla.5 ≤ L2/h2 ≤ 7. 5. Lista de variables. se elige W= 3D. 25. Por último. se recomienda una relación L2/h2= 3. V0= velocidad normal del flujo a la salida de la alcantarilla.1. de la figura XXV-4 se obtiene la profundidad máxima aproximada de agua y2. ye= (A/2)1/2. Si la altura del agua y0 < D/2. Se considera 3. La pendiente de los taludes del canal de salida será de 1:1 y el ancho W de la base del canal puede variar entre D < W < 3D. 3.5 el valor más conveniente para esta relación. A = área de la sección mojada en la salida del tubo. Si el resultado obtenido no es conveniente. h2= altura de la segunda pantalla. y2= profundidad máxima aproximada en la segunda pantalla.10y3. 2. D= altura del conducto de la alcantarilla. El fondo del disipador será aproximadamente horizontal. se asume otro valor de L2/h2 y se repite el proceso. siendo y3 la altura de agua en el canal de salida. W = ancho de la base del disipador. Si no hay un cauce definido.1. Calcular F2= V02/gye. 25. y3= altura normal del agua en el canal de salida.Drenaje vial para ingenieros viales 251 permiten. se utilizará un ancho W= 3D. De las figuras XXV-2 y XXV-3 se obtienen h2. se prueba con una nueva .5 ≤ L2/h2 ≤ 7. cuando la altura del agua en la salida es pequeña. S0= pendiente longitudinal del disipador.0. 50 m de profundidad por debajo del enrocado. Protección a la salida: resulta necesario disponer un enrocado para proteger el suelo en la salida del disipador.06 y3 < h3 < 0. con refuerzo metálico. La altura h3 del murete final está entre 0. Si y3 fuera despreciable o muy pequeño por no haber un cauce definido. La protección debe abarcar tanto el fondo como los taludes del canal. se produce sobre la segunda pantalla y se obtiene de la figura XXV-4. si la altura del agua HE en la salida es pequeña. la máxima altura del agua en el disipador. que llegue a 0.252 Drenaje vial para ingenieros viales relación L2/h2 y se repite el proceso. . La máxima profundidad del agua y2 en el disipador. 8. la altura y3 se sustituye por y2. 6. 7. Una vez llegado a la solución conveniente. También es conveniente proteger la estructura contra posible socavación mediante un murete enterrado.10 y3. la altura h1 de la primera pantalla es h1= h2/2. Fuente: Ref.Drenaje vial para ingenieros viales 253 Figura XXV-2: Altura de la segunda pantalla en el disipador Contra Costa. (36) . (36) . Fuente: Ref.254 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXV-3: Longitud del disipador Contra Costa. (36) .Drenaje vial para ingenieros viales 255 Figura XXV-4: profundidad máxima aproximada en la segunda pantalla del disipador Contra Costa. Fuente: ref. 5 h2 L1= 0. . y 0 5a Seleccionar 2.2 LAS TORRENTERAS Proyectar un canal con una gran pendiente longitudinal representa un problema difícil. sino que.0 (Recomendado 3. 25.10 y 3 6 y 2 de figura XXV-4 0.5<L2/h2<7. ya que no basta con que el revestimiento sea capaz de soportar las altas velocidades del agua. L2 y L 3 de figuras XXV-2 y XXV-3 Modificar L2/h2 2 SÍ ¿Cajón rect. también.256 Drenaje vial para ingenieros viales 1 Determinar V0. Figura XXV-5: diagrama de flujo para el cálculo. al llegar a la parte más baja se debe disipar la energía acumulada.10y 2 7 Enrocado y murete de protección FIN 25.5) NO ¿y 0<D/2? SÍ FIN 5b h 2 .06y 2<h3<0.2.06 y 3< h3 < 0.5 L2 4 Selección del ancho W SÍ ¿y 3 despreciable? NO 0.? NO y e= (A/2)1/2 ye= y0 ¿Resultado aceptable? SÍ NO 3 F2 = V02/gye 5c h1= 0. pues. como suele ocurrir. que son canales trazados en laderas con el fondo escalonado. los escalones se van adaptando terreno. Las di- B SECCIÓN A-A Murete h mensiones de los escalones no tienen por qué ser constantes. Cuando plo. pero donde sea camEnrocado h= ycr+ borde libre Anclaje Pared según terreno natural biante. dando a las paredes una altura h igual a la profundidad crítica del flujo más un borde libre (figura XXV-6). En neta. podría impedirse la entrada del agua a la torrentera. se podrán proyectar escalones iguales. . si fueran más altas. Lo único diferente será que la altura D del cajón resultante en aquel caso se convertirá en la altura de la pared del canal abierto. Este problema se puede tratar tal como lo descrito en el punto 24.4 del capítulo XXIV para cajones de concreto. estos casos el diseño se limita a establecer las di- Figura XXV-6: esquema de una torrentera. si fueran más bajas. depende de la pendiente: donde ella sea constante. ya que el diseño. esta solución tiene todas las restricciones que se dan en la descripción. el borde superior de las paredes debe coincidir con el terreno natural. no hay motivos para preocuparse mensiones de los escalones. en general. por ejemel caudal de una cumucho. a la los forma gastos del son SECCIÓN B-B Espacio para drenaje pequeños como. Por supuesto. el tamaño de los elementos de rugosidad resultantes es demasiado grande.Drenaje vial para ingenieros viales 257 Una forma de solucionar ese problema es el uso de canales con rugosidad artificial. pero si la pendiente es muy elevada. la tierra podría entrar a la torrentera y. En todos los casos. B A PLANTA A Otra solución son las torrenteras. Desgraciadamente no parecen existir estudios que determinen la disipación de energía en estas pantallas. directamente al pie de la torrentera. Para que esto no ocurra. habrá que calcular las velocidades de salida en cada escalón. lo cual está resuelto en la referencia (39). En la referencia (9) se describe un método para proyectar caídas y disipar energía en conductos cerrados.1. por lo tanto. dejando libres los extremos para permitir el drenaje. . no se producirá el resalto completo y. si se desea establecer cuáles son las condiciones de llegada del flujo al pie de la torrentera.Si LC<huella<LT. Para que las torrenteras disipen la energía es necesario que la huella de los escalones sea lo suficientemente larga como para que se produzca el resalto hidráulico en ellos. Se debe disponer un murete en el borde superior del escalón para contribuir a la formación del resalto. Ello se puede comprobar mediante el cálculo de las longitudes de escalón LT necesarias descritas en los puntos 23. caerá en el siguiente escalón o. . tal vez.Si la huella es mayor que la distancia LT. Del mismo modo se pueden usar las pantallas para disipar energía cuando la longitud de la huella no permite la formación del resalto.Si la huella es menor que la distancia LC. se producirá el resalto. no se disipará toda la energía.258 Drenaje vial para ingenieros viales provocando que corra a lo largo de su borde exterior y produciendo una socavación que puede destruir la obra. Las torrenteras pueden o no funcionar como disipadores de energía. pudiendo suceder los siguientes casos: . produciéndose de paso una disipación de energía. para que la torrentera funcione y no se desborde habrá que disponer una pantalla sobre la que el chorro impacte y la obligue a caer en el escalón. los cuales funcionan tanto por impacto como por el Borde de la pared según el perfil del terreno Protección contra derrames Anclaje Enrocado Figura XXV-7: perfil longitudinal de una torrentera con pantallas.1 y 23. el agua llegará más allá de la arista del escalón y.1 LC Si la huella de un escalón es menor que LC. En este caso. la huella de los escalones tiene que ser igual o mayor de 1. por lo tanto.2 y la figura XXIII-3 del capítulo XXIII.1. . El punto R debe estar colocado a una altura tal que. La pantalla debe llegar hasta una altura mínima de h1 por encima de P. por lo que. pero será el ingeniero quien la determine según su criterio: si se desea que el chorro impacte más arriba. siendo h1 > yA. Z) en la arista superior de la caída. Para ello se calcula ZR empleando la misma expresión. el chorro de agua describe una parábola. La abscisa del punto P será XP= L y la coordenada ZP se calculará mediante la expresión ZP= 4. en el punto A la velocidad debe ser la crítica. no representa un problema el cálculo de VA y yA. pero esta vez con la velocidad (VA)2 correspondiente a un gasto (QA)2 de frecuencia de dos años.80 m. colchón de agua que en ellas se forma. Se estima que esta distancia puede ser de aproximadamente 0. habrá que alejarla. La altura total de la pantalla h4 será igual a h4= h1+ (ZR –ZP) [XXV-2] . pero si se desea que el impacto sea más abajo.Drenaje vial para ingenieros viales 259 Protección contra derrames QA VA yA A h3 x zP z h L S0 P R hP h2 h1 h4 Figura XXV-8: Esquema de la pantalla en una torrentera. Si el flujo del canal de aproximación es subcrítico. Para describir la disposición de las pantallas en las torrenteras abiertas se ha hecho una adaptación de ese método. el chorro de agua siga chocando con la pantalla. conociendo el gasto de diseño QA. En la figura XXV-7 se muestra el perfil de una torrentera con pantallas y en la XXV-8 el detalle de una caída. Colocando el cero del sistema de coordenadas (X. cuando el gasto sea mínimo. habrá que acercar la pantalla a la caída.91 L2 VA 2 [XXV-1] donde VA es la velocidad del flujo en el punto A para el gasto de diseño. La distancia L entre la pantalla y la contrahuella se fijará de acuerdo con la caída h y el gasto. Si no fuera así. el espacio libre trabajaría como una alcantarilla con control a la entrada. ya que este siempre contribuye a formar el resalto. provocando el flujo tipo compuerta con velocidades supercríticas en la salida. Este anclaje es recomendable en cualquier caso. ™ Es conveniente. para facilitar el drenaje ™ Si la pendiente es muy pronunciada. En caso de que esto ocurra. Recomendaciones. también. el borde superior de la pared debe coincidir con el terreno. ™ Tal como se aprecia en la sección B-B de la figura XXV-6. ™ Es conveniente colocar un murete en el borde superior del escalón.1.2. 25. dar a la huella una pequeña pendiente longitudinal S0. ™ Si la torrentera descarga en un suelo pasible de erosión se deberá proteger la salida mediante un enrocado como el descrito en otro capítulo. Esta altura debe ser suficiente como para dejar pasar libremente el gasto de diseño por debajo de la pantalla. se tratará de cambiar el diseño disminuyendo la longitud L. es necesario anclar la estructura mediante un murete con refuerzo metálico que sea la prolongación hacia abajo de la contrahuella. La altura hp de la pantalla sobre el suelo será hp= h– h2 – h4. ™ Es conveniente que las torrenteras se construyan con concreto armado de alta resistencia. . de forma que se permita el drenaje hacia la torrentera y se impida que el agua corra por fuera a lo largo de la pared. ™ Se debe proteger el final del recubrimiento del canal mediante un murete suficientemente enterrado por debajo de la protección con enrocado. quedar por encima de la arista A.260 Drenaje vial para ingenieros viales El extremo superior de la pantalla estará a una altura h2= zP – h1 por debajo de la arista. Se debe tener en cuenta las siguientes recomendaciones: ™ La profundidad h3 del canal sobre la arista superior de los escalones será igual a yA más un borde libre. provocando socavación. esto es. Debe quedar un espacio libre en sus costados de forma que no se formen charcos después de la lluvia. lo que producirá menores valores de las coordenadas z. pudiendo resultar negativa. ya que la erosión producida por las caídas es muy intensa. Drenaje vial para ingenieros viales 261 OCTAVA PARTE MANTENIMIENTO DEL DRENAJE VIAL . es decir. debe contar con las cinco fases que componen una gestión: planificación. programación. es decir. La programación consiste en la elaboración de un programa que ordene en el tiempo las actividades planificadas y destine a ellas los recursos necesarios. sin interrupciones ni inconvenientes en la calidad del servicio y al menor costo posible.1. Este equívoco impide el desarrollo de sistemas idóneos de mantenimiento. cuando ya se ha producido el colapso del bien. la sola etapa de la ejecución no es suficiente para asegurar el éxito de la gestión. en capítulos sucesivos. . pues consiste en la puesta en práctica de lo planificado y programado y de su éxito o fracaso depende el éxito o fracaso de todo el sistema de mantenimiento. la eficiencia y el buen aspecto de los bienes e instalaciones y prolongar su vida útil. Aunque se acostumbra a considerar el mantenimiento como sinónimo de reparación. se aplican las reparaciones con carácter de emergencia. sin interrupciones. técnicos y de mano de obra con que se cuente. además. como suele ocurrir. el concepto se aleja aún más de lo que es un sistema de mantenimiento. sea este vial o de cualquier otra índole. pero que no debiera representar sino una parte relativamente pequeña del proceso de mantener. Debe responder a las preguntas ¿Cómo lo voy a hacer? ¿Quién lo va a hacer? ¿Cuándo lo voy a hacer? ¿Qué recursos se necesitan en ese momento? La ejecución es la etapa más resaltante. El plan factible nace de la comparación entre lo que se debe hacer y los recursos económicos. ejecución. 26. La planificación debe prever las acciones futuras para así poder hacer un presupuesto para afrontar y optimizar las inversiones que resulten necesarias. debe quedar claro que el mantenimiento va mucho más allá de la acción de reparar. control y supervisión. a la cual se llega con el tiempo. Es decir.262 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXVI GENERALIDADES ACERCA DEL MANTENIMIENTO En el presente capítulo se describirá someramente cómo debiera ser un sistema de mantenimiento eficiente para. la vida útil de los bienes se prolongará con la consiguiente economía. Se define el mantenimiento como el conjunto de acciones continuas y permanentes encaminadas a asegurar el funcionamiento normal. y debe conducir a la previsión de los daños que pueden sufrir los bienes para asegurar así su funcionamiento normal y eficiente. supervisión y control adecuados. Debe contestar a las preguntas ¿Qué debo hacer? ¿Para qué lo voy a hacer? ¿Dónde lo voy a hacer? ¿Con qué lo voy a hacer?. que debe realizarse el mantenimiento todo el tiempo. Como consecuencia de todo ello. con igual intensidad. Si. programación. Para realizar una ejecución exitosa no solo es necesario el dominio de las técnicas apropiadas y la disponibilidad de recursos: sin una planificación. GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO Un sistema de mantenimiento debe contar con una gestión administrativa completa. ir describiendo el mantenimiento de los diversos elementos que componen un sistema de drenaje vial. no pueden ser detectadas las fallas en su etapa incipiente antes de que se produzca el colapso. Deben ser especialmente minuciosas en aquellos elementos críticos cuya falla pueda representar un problema mayor. 26. CLASES DE MANTENIMIENTO Aunque el mantenimiento es uno solo. que deben ser realizadas con regularidad. Las inspecciones deben ser periódicas. lo que implica el uso de grandes bases de datos y programas de computación. No quiere decir esto que son dos clases diferentes que se pueden aplicar según la elección de las personas. limpieza.2. No debe haber inspección sin informe escrito. de calidad de la gestión. Mantenimiento de rutina.2. 26.2. Se presupone que las fallas se detectan en un estado incipiente. Parte de esta inspección se suele hacer junto con otras acciones menores de mantenimiento preventivo. de consecución de metas. Consiste en todas las pequeñas operaciones que deben ser llevadas a cabo con regularidad. completas y sistemáticas. ya que es este el que dará el historial del comportamiento del bien y permitirá fijar la frecuencia y tipo de las acciones de mantenimiento a aplicarle. si los bienes no se inspeccionan periódica y sistemáticamente. etc.1. sino que son dos partes del mismo sistema y que la aplicación solamente de una u otra parte no proporcionará un sistema de mantenimiento adecuado.1 Mantenimiento preventivo El mantenimiento preventivo es aquel conjunto de acciones destinadas a impedir que se presenten fallas que provoquen el mal funcionamiento de un bien o la prestación de un servicio. La supervisión es la encargada de vigilar la marcha de la gestión y de recolectar la información necesaria y emite informes que serán procesados por el control. tal como la limpieza y lubricación de los equipos y. Ello significa que se necesita disponer de unos grandes bancos de datos en los que se registre este historial junto con el inventario de bienes a mantener. etc. 26. ajustes.2. El resultado de la inspección es el informe escrito.2. las acciones de 26.1. Para esta tarea se requiere de un gran volumen de información que debe ser procesada velozmente. las inspecciones. .1. tal como la lubricación. Ellas son el mantenimiento preventivo y el correctivo. El control establece las responsabilidades a que hubiere lugar y emite juicios de valor acerca de la marcha del mantenimiento. con intervalos establecidos. se lo divide en dos tipos debido a las características propias de cada una de las etapas que los componen. Las inspecciones La actividad principal del mantenimiento preventivo es la inspección. En efecto. de rendimiento.Drenaje vial para ingenieros viales 263 El control establece la calidad de la gestión del mantenimiento mediante el cálculo de los indicadores de costos. sobre todo. en el que todavía no impiden esa prestación eficiente del servicio. fije las prioridades para su reparación. se puede instaurar un sistema que detecte de inmediato la falla. El mantenimiento correctivo es el conjunto de acciones destinadas a corregir una falla para restablecer las condiciones originales del servicio de un bien. 26. disponiendo los elementos de una estructura de forma y dimensiones tales que lo faciliten. repararlo. se hace mantenimiento preventivo mediante un buen control de la calidad y las modificaciones al proyecto que surjan para permitir un mejor mantenimiento. su reparación no debiera ser programable. por lo tanto. Continúa durante la operación.3. . los costos. el método empleado. todo lo cual constituye la auditoría técnica del bien.1. los resultados. La falla debe preverse mediante el mantenimiento preventivo.2. Sin embargo.2 El mantenimiento correctivo. utilizando coeficientes de seguridad adecuados y especificando los materiales que permitan completar la vida útil para la que ha sido diseñada. prohibiendo cargas excesivas. Si no existe una historia del comportamiento de cada bien a mantener. Mantenimiento en el proyecto. construcción y operación mantenimiento preventivo comienza en el proyecto. repare la falla.2. por ejemplo. es decir. Por ello la falla debiera ocurrir únicamente como una emergencia y. al exigir el uso adecuado de la estructura. por último. el cual debe detectarla en sus inicios y con suficiente tiempo como para aplicar a tiempo los correctivos adecuados. Durante la construcción.264 Drenaje vial para ingenieros viales mantenimiento que se le aplicaron. proponga soluciones y. 26. Se debe estar consciente de que sin inspecciones no puede haber un sistema de mantenimiento. se cae en el mantenimiento por crisis acostumbrado. siendo este el tiempo que teóricamente demora una gota que cae en el extremo más alejado de la hoya en llegar a la sección en que se está determinando el gasto. como consecuencia. sea naturalmente. como consecuencia de los cambios que sufra la hoya afluente con el paso del tiempo. al tiempo. 27. con ello. como se dijo anteriormente. Este tiempo depende de la longitud del recorrido del agua y del desnivel entre los extremos de ese recorrido. la cobertura vegetal. si aumenta la categoría de la carretera por haber aumentado su volumen de tránsito o si la carretera se amplió sin cambiar el tamaño de la estructura de drenaje puede necesitarse otra frecuencia y. el gasto de diseño puede variar desfavorablemente. La intensidad de la lluvia depende de su duración y de la frecuencia que se adopte en su determinación. 27. puede suceder que.3. puede sufrir el gasto de diseño de una estructura. En esta exposición se considerará únicamente el gasto calculado según la fórmula racional. La frecuencia la fija el proyectista de acuerdo con las normas vigentes y la cuantía que pueden alcanzar los daños en caso de un mal funcionamiento del drenaje y de la importancia económica y estratégica que tenga la vía. pavimentaciones y construcción de viviendas y. Del mismo modo. de la cobertura vegetal y la permeabilidad del suelo. Si se coloca una estructura de drenaje en una hoya virgen y. 27. cambiará el tiempo de concentración y. Cualquiera de estos factores puede variar a través del tiempo.2.Drenaje vial para ingenieros viales 265 CAPITULO XXVII MANTENIMIENTO E HIDROLOGÍA Aunque la hidrología no constituye uno de los elementos constituyentes del drenaje vial. uno de los factores que influye en el mantenimiento que se les debe aplicar a todos los drenajes es la variación que. Así pues. si un canal se reviste de concreto o se cambia su curso para una obra en particular. VARIACIONES EN LA INTENSIDAD DE LA LLUVIA. el gasto de diseño anteriormente calculado puede aumentar según las nuevas condiciones. Aunque el área de una superficie no puede cambiar. La duración de la lluvia se toma igual al tiempo de concentración. pueden cambiar la topografía como consecuencia del movimiento de tierra. El coeficiente de escorrentía C depende de la topografía de la hoya. se puede variar el patrón de drenaje de una zona por la modificación de la topografía o la descarga de algún canal o cuneta que anteriormente drenaban hacia otra hoya. . VARIACIONES DEL ÁREA DE LA HOYA. que es el método más utilizado en el drenaje vial. en dicha hoya se construye un urbanismo. el área a ser drenada aumente si se varía la divisoria de la hoya por la modificación de la topografía. como consecuencia de las deforestaciones. sea por la acción del hombre.1 VARIACIONES DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA C. por último. 4. pudiera ser que las condiciones locales hayan variado haciendo insuficientes las estructuras construídas. aunque en el proyecto original se hubiesen determinado correctamente. ya que.266 Drenaje vial para ingenieros viales 27. Las variaciones anteriormente descritas pueden provocar el aumento del gasto a drenar. resultando entonces insuficientes las estructuras existentes. se hará necesario comenzar por revisar el cálculo de los gastos. En el caso en que una estructura de drenaje que anteriormente no presentaba problemas comience a ser insuficiente. . CONSECUENCIAS SOBRE EL MANTENIMIENTO DEL DRENAJE. etc. bien sea por un error del cálculo original. FALLAS POR SOCAVACIÓN EN LOS CANALES. La corrección de estas fallas puede consistir en: ‰ Proteger la zona socavada en las descargas mediante su recubrimiento con un material que sea resistente a la socavación. general.Drenaje vial para ingenieros viales 267 CAPÍTULO XXVIII MANTENIMIENTO DE CANALES Y CUNETAS. en lugares no revestidos en los que se dispone el agua de canales o cunetas y. por cualquier circunstancia. en los cuales pueden producir daños tanto por exceso de velocidad como por llegar con excesivo esviaje a la corriente natural. Tanto el fenómeno de la socavación como el de la sedimentación fueron descritos en el capítulo IX cuando se habló del diseño de los canales. Ejemplos de esto son las cárcavas formadas por las descargas de las cunetas en laderas de alta pendiente o la descarga de canales revestidos en los cauces naturales. Esta solución incluye el revestimiento de canales y cunetas. La socavación se presenta. Reconstruir el canal con pendiente más suave y caídas intermedias. en. Puede también presentarse en lugares por donde no se preveía que corriera el agua pero que. la construcción de enrocados. canto rodado. el revestimiento de un tramo de la quebrada o la eliminación de un meandro. los cuales pueden ser de concreto o de enrocado. tal como construyendo enrocados. Hay socavación generalizada del fondo de los canales o cunetas no revestidos cuando se produce una velocidad excesiva del agua. está corriendo. 28. ‰ ‰ ‰ . zampeados o sembrando gramíneas adecuadas.1. en todos los lugares en que el agua se acelera más allá de la velocidad que el tamaño de las partículas de suelo lo permite. principalmente. Disminuir la velocidad del agua que llega mediante la construcción de disipadores de energía. la construcción de torrenteras y caídas. grava. formando cangilones. La aceleración de las aguas puede provenir de modificaciones hechas en el cauce a cierta distancia del lugar en que ocurre la socavación como. Disminuir la velocidad del agua en los canales mediante el aumento de la rugosidad de su contorno. concreto asfáltico. por ejemplo. bien sea por el cambio de los gastos a lo largo del tiempo o por cualquier otra causa. etc. en canales no revestidos. Algunos de ellos fueron descritos en capítulos anteriores. tal como concreto. El movimiento del agua a través de la masa de suelo.3. pudiendo provocar el desbordamiento de los mismos. se deberá tomar medidas de otro tipo. obras complementarias. FALLAS POR SEDIMENTACIÓN. Se puede producir este fenómeno en zonas de cambio de pendiente. La disminución de la capacidad de arrastre de sedimentos puede ser producida por la pérdida de velocidad de las aguas. o tomar las previsiones para que. En el caso de los canales. posiblemente a través de algunas juntas del recubrimiento que hayan sido mal construídas o hayan sido deterioradas por el flujo del canal (especialmente si este es supercrítico o se aproxima a esa condición). la velocidad del agua aumenta. no se produzcan daños mayores e interferencias con el tránsito automotor. Este proceso comienza desalojando lentamente el suelo más fino y termina por llevarse todo el suelo que sirve de apoyo a las losas. la tubificación puede presentarse por la filtración de agua hacia la parte inferior del recubrimiento. la medida más lógica sería controlar el origen de los sedimentos mediante reforestaciones. La tubificación se presenta en rellenos y suelos que permanecen cierto tiempo sumergidos. en caso de colapso. por lo cual se debe estar atento a su evolución: si esa sedimentación no es muy elevada. El aumento del arrastre de sedimentos generalmente es producido por modificaciones al medio ambiente aguas arriba del canal: deforestaciones. probablemente se podrá controlar con limpiezas periódicas del cauce. formando huecos que causan el colapso del canal. pero ello debería haber sido previsto en el proyecto. Existe un fenómeno llamado la tubificación. pero si su volumen es muy elevado. se debe proceder a corregirla de inmediato si el caudal del curso de agua lo permite. FALLAS POR TUBIFICACIÓN. ya que el mismo puede permanecer oculto si no se observa con cuidado. tal como los conos de deyección. movimientos de tierra en ejecución. etc. pero esto no siempre resulta posible. En estos casos. Este proceso puede terminar por formar grandes oquedades que. al principio lento.268 Drenaje vial para ingenieros viales 28. Conforme se desplazan algunas partículas. Una vez detectada la falla. en los cuales se produce un gradiente hidráulico que provoca el paso del agua a través de los poros del suelo.2. En estos casos se puede tratar de . movimientos de tierra no reforestados. La acción de mantenimiento preventivo indicada es la inspección del canal con suficiente frecuencia prestando atención a este fenómeno. 28. La sedimentación en los canales y cunetas produce una reducción de su sección útil. La sedimentación puede aumentar por dos causas: por el aumento del arrastre de sólidos o por la disminución de la capacidad de arrastre de la corriente. botes de tierra. relacionado en alguna forma con la socavación ya que también comporta la migración de partículas del suelo por acción de las aguas. en el caso de las alcantarillas. comienza arrastrando a las partículas más finas. Es bastante normal que se produzca alguna sedimentación en puntos específicos de un canal. puede formar un segundo tubo alrededor del existente (de ahí su nombre de tubificación) y provocar el colapso de la estructura. arrastrando así partículas cada vez mayores. prohibición de ciertas actividades o aplicación de ordenanzas al respecto. PLANTA C B B A L A B C SECCIÓN A-A B h SECCIÓN B-B SECCIÓN C-C Cámara de sedimentación h Figura XXVII-1: trampa de sedimentos. o c) cambiando el material de su superficie si este fuera muy rugoso. evidentemente. si fuera excavado en tierra.Drenaje vial para ingenieros viales 269 acelerar las aguas: a) aumentando la pendiente. . rocas o concreto botados en el cauce y no removidos oportunamente por el sistema de mantenimiento. la remoción del obstáculo que provoca el remanso. b) disminuyendo el coeficiente de rugosidad del contorno mediante el revestimiento del canal. si la topografía lo permite. tal como árboles caídos. La solución en estos casos es. La pérdida de velocidad puede ser provocada también por el remanso de las aguas como consecuencia de un obstáculo no previsto en el proyecto. Estas trampas de sedimentos consisten en un ensanchamiento y profundización del canal a proteger. diseño estructural inadecuado (por ejemplo. Las fallas estructurales más frecuentes son las roturas del concreto del recubrimiento. si no puede solucionarse la causa que provoca la sedimentación. ARRASTRE DE DESECHOS FLOTANTES. pudiera producirse el remanso por el aumento del nivel del agua en este último o por la acumulación de sedimentos en la confluencia. • Base inadecuada. dejando entre ellos suficiente espacio como para retener los desechos pero que no interrumpan el flujo del agua. Esto. colocación equivocada del refuerzo metálico). la solución es interceptar los desechos flotantes antes de que ellos penetren en el canal. de forma que.5. poco filtrante o contaminada por el suelo. Aparte de la limpieza oportuna. en la cual se depositen. En Venezuela. lo que puede provocar la fractura o la erosión del mismo por la acción de las aguas en grandes pendientes. La longitud L de la trampa de sedimentos debe ser suficiente como para que las partículas más finas que se desee retener puedan sedimentarse dentro del dispositivo. Si el canal capta el agua de una quebrada de cierta importancia. espesor inadecuado. siempre se puede disminuir el arrastre de los sedimentos construyendo aguas arriba una trampa de sedimentos (figura XXVI-1). La altura h de la cámara de sedimentación debe ser suficiente para que pueda contener los sedimentos que se espera retener. Esto se puede conseguir disponiendo transversalmente una guaya a la altura de la superficie del agua en las crecientes. resulta prácticamente imposible con los actuales sistemas de mantenimiento. mala compactación de la rasante. En el tema correspondiente a las alcantarillas se mostrarán otras estructuras que pueden resultar útiles en estos casos. . la cual consiste en una estructura en la que las aguas se desaceleran provocando la sedimentación antes de entrar en la estructura que se desea proteger. estas estructuras presentan el inconveniente de necesitar una limpieza periódica. en muchos casos después de cada tormenta. FALLAS ESTRUCTURALES. disminuya la velocidad para un gasto constante.270 Drenaje vial para ingenieros viales Si el canal desemboca en un curso de agua mayor. 28. Otra solución es disponer unos postes de vigas metálicas clavados en el fondo del curso de agua. En todos los casos. esto es posible solamente si ello no causa inconvenientes aguas arriba.4. es posible que ella arrastre desechos flotantes indeseables. al aumentar la sección transversal. Ello puede ser causado por: • Una construcción inadecuada: mala calidad del concreto. Por supuesto. 28. juntas mal construidas. tal como árboles o ramas en las zonas rurales o cualquier basura (desde neveras y colchones hasta bolsas de plástico y trozos de anime) en las zonas urbanas. En el tema correspondiente a las alcantarillas se mostrarán otras estructuras que pueden resultar útiles en estos casos. etc. como es bien sabido. En ambos casos. tránsito sobre la losa. para asegurarse que no hay problemas o para detectarlos con suficiente anticipación como para evitarlos.6. la reconstrucción de juntas y la reparación de pequeñas fallas localizadas. como consecuencia. La actividad más importante para obtener un buen mantenimiento preventivo de cunetas y canales es la inspección. Ello quiere decir que se debe disponer del banco de datos mencionado en el capítulo .7. En los canales no revestidos pueden presentarse derrumbes en sus márgenes como resultado de haberse construído con una pendiente transversal excesiva para las características del suelo. Como en todo mantenimiento. que puedan provocar problemas al comienzo de las lluvias y comprobar la limpieza del sistema. La única forma de impedir la sorpresa anual que produce la llegada de las lluvias es realizar inspecciones periódicas y completas a todo el sistema de drenajes y. La inspección realizada antes de la temporada de lluvias debe servir para asegurarse de que en el curso de la temporada seca no se han presentado fallas. Puesto que la temporada de lluvias es la que produce más daños al drenaje. como parte del mantenimiento preventivo. En los canales no revestidos el cambio de rugosidad puede ser causado por el crecimiento de vegetación en el contorno.). durante ella se debe inspeccionar el sistema con cierta frecuencia. la solución es aplicar un mantenimiento preventivo adecuado manteniendo limpios los canales. 28. se debe registrar los resultados: todas las inspecciones deben producir un informe escrito y todas las acciones de mantenimiento deben ser registradas en lo que se llama la auditoría técnica. etc. 28. Además de las inspecciones. A veces la pérdida de capacidad de un canal puede ser provocada por el cambio en la rugosidad del contorno.Drenaje vial para ingenieros viales 271 • Mala operación de la vía (estacionamiento de vehículos sobre la cuneta. pero los canales y cunetas de las carreteras y calles se deberán inspeccionar a fondo por lo menos dos veces al año: a la salida de la temporada de lluvias y un mes antes de comenzar dicha temporada. Esto puede ser causado por la presencia de sedimentos gruesos en el fondo del canal que cambien el coeficiente de rugosidad y produzcan efectos indeseados aunque su volumen no disminuya el área la sección transversal como para causar el desbordamiento. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE CANALES Y CUNETAS. La inspección realizada al finalizar la temporada de lluvias debe conducir. a la reparación de los daños menores que resulten necesarios para prevenir daños mayores y a las reparaciones mayores que no pudieron ser realizadas durante la temporada de lluvias como consecuencia de la presencia de agua en las estructuras. el mantenimiento preventivo se basa en la limpieza y la reparación de pequeñas fallas. realizar las acciones de mantenimiento oportunas. especialmente durante las crecientes. La frecuencia de las inspecciones la darán las condiciones particulares de cada sitio. CAMBIOS EN LA RUGOSIDAD. incipientes o no. como puede ser el sellado de grietas. en el que se registre el inventario de las estructuras y los resultados de las inspecciones y las acciones aplicadas.272 Drenaje vial para ingenieros viales XXVI. . 1 El pavimento. así. FALLAS ESTRUCTURALES DEL DRENAJE SUPERFICIAL.1. con lo que se podrá reciclarlo y. Las fallas estructurales del drenaje superficial suelen ser fácilmente observables a simple vista. 29. disminuyendo así la capacidad de los mismos y llegando a provocar inundación de las aceras. ahorrar dinero y minimizar los daños ecológicos producidos por las canteras y areneras. Este pavimento poroso permite que el agua drene a través de él y la dispone en los bordes de la vía. Con ello se elimina en gran medida el deslizamiento de los vehículos debido al aquaplaning. sean estas últimas de diseño o causadas por la falta de mantenimiento preventivo. Sin embargo. ya que consisten principalmente en la rotura de la estructura de concreto exterior. de las rejas metálicas o en la modificación inconsulta de las estructuras por parte de los vecinos y comerciantes. antes de repavimentar se debe levantar el pavimento existente. Por lo tanto. La base del pavimento puede saturarse como consecuencia del agua que llega hasta ella y de su falta de permeabilidad. Así pues. La presencia de agua en la base se detecta inspeccionando el pavimento durante unos días sin lluvia después de la tormenta. La repavimentación realizada sobre el pavimento existente deforma o rellena la depresión de los sumideros de ventana. hay humedad en la base.Drenaje vial para ingenieros viales 273 CAPITULO XXIX MANTENIMIENTO DEL DRENAJE SUPERFICIAL Las fallas que habitualmente se presentan en el sistema de drenaje superficial son estructurales y funcionales. que se coloca sobre una capa de pavimento impermeable para impedir el paso del agua a la subrasante. quedando libre el que forma parte del borde de la acera. con lo que se impide que el agua se deposite en la superficie. 29.2 Sumideros de ventana. ya que no está calculada para soportarlas. Donde se identifique lugares así. observando si las grietas existentes en el pavimento: si estas están húmedas por el agua que rezuma por ellas. ya que puede penetrar por las grietas del pavimento y causar daños mayores. al quitar altura al brocal. se debe tomar medidas para corregir esta situación indeseable. hace disminuir la sección transversal de los brocales-cuneta. El primer elemento del drenaje superficial lo constituye la superficie del pavimento. 29. se debe proceder a reparar el daño dando al pavimento la forma adecuada. Si existiera el problema en algunos sumideros. Se debe revisar el pavimento después de una tormenta. es frecuente que vehículos de cualquier tamaño se . no se debe aplicar cargas pesadas a esta parte de su estructura. En algunos países se está empleando en la pavimentación un concreto asfáltico filtrante. La parte superior de los sumideros de ventana es una placa apoyada en tres lados. para identificar aquellos lugares en que el agua se queda retenida formando charcos. de gran porosidad.1. Así mismo.1. . Cuando un sumidero de ventana coincide con el acceso de vehículos a una parcela contigua. de forma que represente un peligro menor. menos probabilidad de accidentes habrá. pero esta solución presenta el inconveniente de que los vehículos chocan lo topes y. Esto se suele intentar con unos topes cilíndricos prefabricados en concreto. En el caso en que se vaya a aplicar en zonas muy transitadas. Cuanto menor pendiente tenga el obstáculo mostrado en la figura. por lo que una sección transversal curva puede resultar más conveniente. como no forman un cuerpo con el resto del sumidero.20 m) el borde libre de la placa del sumidero. Esto debiera ser castigado con multas y la obligación de restituir el sumidero a su estado original o. lo obstruyen fabricando una rampa para facilitar su acceso. ubicarlo más arriba o abajo. Estas soluciones son útiles en zonas donde no hay gran tránsito de peatones. Debe levantarse paulatinamente también en el sentido longitudinal.274 Drenaje vial para ingenieros viales estacionen sobre los sumideros provocando su rotura. se debe señalizar de forma que puedan ser advertidos a tiempo. los propietarios de la parcela generalmente no reinstalan el sumidero sino que. ya que ellas representan un obstáculo en el que las personas pueden tropezarse y sufrir accidentes. los derriban. donde no moleste el acceso. Una solución más perdurable es engrosar en unos veinte centímetros (0. en todo caso. impidiendo así que se monten los vehículos (figura XXIX-1). existe una acción preventiva que puede dar un buen resultado: colocar algún obstáculo que impida que los vehículos se estacionen sobre los sumideros. Sin embargo. sencillamente. después de lo cual no queda otra solución sino reconstruirlos. 1. Para reparar adecuadamente esta falla es necesario encofrar ambas caras de la tanquilla y. . hacia el sistema de tuberías. sino también del marco y la reja del sumidero. si se considera conveniente. La arista exterior de la tanquilla es la parte más vulnerable. lo cual provoca una larga serie de reparaciones ya que.3 Sumideros de reja La parte de concreto de los sumideros de reja la constituye una tanquilla cuya parte superior está cerrada por una reja metálica. la cual permite el paso del agua hacia él y. apoyada en un marco metálico anclado en el concreto.Drenaje vial para ingenieros viales 275 SECCIÓN TRANSVERSAL Posible perfil curvo A Aprox. se vuelve a repetir el proceso de rotura (figura XXIX2).20 cm Refuerzo metálico Obstáculo de concreto Placa superior del sumidero Anclaje Acera Pavimento Ventana Brocal A SECCIÓN A-A Nivel acera Obstáculo de concreto Ventana Placa superior Brocal Figura XXIX-1: obstáculo para impedir el estacionamiento de vehículos sobre los sumideros. se produce un borde muy fino que rápidamente se rompe y. reforzar el concreto con una armadura metálica y asegurar su adherencia a la parte existente. como consecuencia. por consiguiente. en la parte exterior que se vacía contra el suelo. no solamente de la tanquilla. pues el impacto de los vehículos contra ella hace que se desintegre. 29. Esta falla se suele reparar mal vaciando de nuevo la parte superior de la tanquilla con encofrado solamente en la parte interior. quedando los anclajes del marco al descubierto y provocando el colapso. aparte de elevar el borde de la acera. Frecuentemente las platinas de la reja no se sueldan correctamente. queda alabeado. . es recoger las aguas que llegan del pavimento y disponerlas en los sumideros. sin el brocal. Esto indica que es necesario controlar la calidad de las rejas cuando se adquieren a las industrias. Si se permite un ancho de inundación demasiado grande. por lo que fallan. lo que hace aumentar el ancho de inundación con las consecuencias ya descritas. Los sumideros se deben colocar a una distancia tal que el ancho de inundación que se produzca en el brocal-cuneta no sobrepase el permisible para una cierta calle: a mayor ancho de inundación. como actualmente sucede. Es de hacer notar que. 29. Una falla frecuente es la invasión de la cuneta por la construcción de rampas de acceso a viviendas o comercios. este invade la calzada y disminuye la capacidad de la vía. la cual solamente se puede solucionar reconstruyéndolo. ya que es más económico pagar a un ingeniero metalúrgico su examen con rayos X que cambiarlas continuamente. se coloca en la rampa un tubo de muy pequeño diámetro (no cabría uno de diámetro grande) pretendiendo que el gasto del brocal-cuneta pase a su través.1. Otra causa de la falla de las rejas es la colocación incorrecta del marco: si este. y queda golpeando ruidosamente cada vez que pasa un vehículo con un impacto que termina por destruirla. en lugar de quedar plano. la reja no asienta debidamente.4 El brocal-cuneta. también. generalmente sin refuerzo metálico. rebajando su borde. La falla que suelen presentar es la destrucción por los vehículos pesados que suben a la acera para estacionarse. ya que los vehículos deberán circular a menor velocidad. A veces. como tratando de no hacer daño. como una medida de mantenimiento preventivo. mayor interferencia con el tránsito.276 Drenaje vial para ingenieros viales Pavimento Marco Reja Borde débil Pavimento Reparación correcta Paredes de la tanquilla Reparación incorrecta Figura XXIX-2: reparación de los sumideros de rejas. Una medida preventiva posible es la construcción a lo largo del brocal de un obstáculo como el mostrado para los sumideros de ventana. no es posible construir sumideros de ventana. cuya función. El brocal-cuneta es una estructura de concreto muy sencilla. Es tarea del sistema de mantenimiento vigilar que esto no ocurra y obligar a los vecinos a la demolición de estas trampas y que construyan los accesos dentro de la acera. pero ello nunca funciona. mayor capacidad de la cuneta pero. conocidos como Acuatech. ya que las normas vigentes generalmente llevan a diseñar por exceso. que por las mismas tuberías corren las aguas negras y las de lluvia. además de la succión. En estos casos. para captar su gasto antes de que llegue al sitio del problema. En algunas oportunidades. En los casos en que el sistema de tuberías sea mixto. se debiera construir sumideros de rejas adicionales aguas arriba de la esquina. En todos los casos se hace necesario verificar estas condiciones para establecer el origen del mal funcionamiento y determinar la corrección adecuada. El mal funcionamiento por el diseño inadecuado puede provenir de muchas razones: el cálculo del gasto de diseño. Si la afluencia de agua de calles laterales en las que no hay drenajes produjera problemas. Los sistemas de tuberías suelen presentar pocas fallas. las recorre su interior. FALLAS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS. reflejada por un espejo a 45°. la elección equivocada del tipo de sumidero. FALLAS FUNCIONALES. Para inspeccionar las tuberías se suele utilizar una linterna cuya luz. la causa principal es la falta de limpieza: no es raro encontrar sumideros de rejas que más parecen viveros de plantas que estructuras de drenaje. etc.3. En lo que respecta al mal mantenimiento.Drenaje vial para ingenieros viales 277 Acceso incorrecto Acera Acceso correcto Brocal-cuneta Acera Pavimento Brocal-cuneta 29. los sumideros se construyen con un sello que cierra la salida cuando no hay agua de lluvia para impedir que los malos olores salgan a la calle. de forma que se arrastren los sedimentos que se hayan podido depositar en ellas. El mantenimiento correctivo suele consistir en el destapado mediante la guaya mecánica cuando algún desecho las obstruye. el mal dimensionamiento del sumidero. Su principal acción de mantenimiento preventivo es la limpieza mediante agua a presión. desintegrándolas. El mal funcionamiento de los sumideros suele tener como origen su mal mantenimiento o el diseño inadecuado de los mismos. pudiéndose verificar desde el extremo opuesto si existen obstrucciones. el espaciamiento excesivo entre ellos.2. es necesario limpiar y mantener ese sello. mediante los cuales se extrae la basura depositada en su interior. 29. En estos casos se hace precisa su reconstrucción. Un problema que presentan frecuentemente estos sistemas es el creado por las repavimentaciones en las que no se levantan las tapas de las bocas de visita al . los gases producidos por las aguas negras pueden atacar las paredes de las tuberías de concreto. etc. hundimientos. lo más prudente. solicitar la colaboración de un especialista. es decir. la ubicación en lugares inadecuados. tal vez dispuestos a todo el ancho de la calle lateral. para lo que se debe dominar las teorías que intervienen en el diseño o. Para la limpieza de los sumideros se usan equipos de succión. Todos los resultados de las inspecciones y las acciones de mantenimiento. la reparación de pequeños daños estructurales. para lo cual se debe disponer de un banco de datos cuya base es el inventario físico del sistema a mantener. se deberá realizar por lo menos dos inspecciones anuales de todas las estructuras que componen el drenaje superficial: una a la salida de la estación lluviosa. sin embargo. y que estos sufren daños cuando se emplean métodos incorrectos. junto con sus costos. se suele hacer incorrectamente: después de sacar el marco. de por sí. 29. Otras actividades pueden ser el control de calidad de las rejas metálicas que se adquieran. esta se rellene con una compactación descuidada. La nivelación de las tapas debe hacerse con concreto de alta resistencia debidamente encofrado. pero.4. no es raro que. la reposición y reparación de rejas averiadas. mano de obra utilizada. la construcción de obstáculos para impedir que los vehículos se estacionen sobre los sumideros de ventana. habrá que tomar las medidas necesarias. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL DRENAJE SUPERFICIAL. fallando a los pocos días. Durante la temporada de lluvias habrá que realizar inspecciones para asegurarse de que todas las estructuras están funcionando adecuadamente. al pasar un vehículo pesado sobre la tapa. esta falle presentándose un nuevo bache. etc. . La tarea de levantar las tapas al nivel del nuevo pavimento es muy sencilla. En esta estación son frecuentes pequeños derrumbes que obstruyen las cunetas. tienen poca resistencia a la compresión. En consecuencia. No es raro. La actividad más importante del mantenimiento preventivo la constituyen las inspecciones. Otra actividad importante es la limpieza de cunetas y sumideros. insumos empleados. la cual se debe realizar a fondo durante todo el verano. por lo que deben ser detectados y solucionados con prontitud. llevando a cabo las acciones que resulten necesarias según las inspecciones hechas durante el invierno. etc. ya que es en esta época cuando se puede determinar sus problemas de funcionamiento. El organismo responsable del mantenimiento debe conocer en todo momento el estado en que se encuentra el sistema de drenajes con el fin de poder tomar oportunamente las medidas necesarias. tiempo de ejecución. autorizados generalmente por la inspección. que cuando se excava una zanja para construir o reparar una tubería.278 Drenaje vial para ingenieros viales nivel del nuevo pavimento. Si hubiera dificultades. este se sostiene en posición generalmente mediante pedazos de bloque que. antes de comenzar de nuevo la estación de lluvia. Ello produce huecos en que caen los vehículos con gran violencia y los daños consiguientes. deben quedar registrados en el sistema de control. para determinar el estado en que se encuentran y determinar las acciones correctivas necesarias a ser aplicadas durante la estación seca. y la siguiente. si a esto se añade que para fijar el marco se suele utilizar una pega de poca resistencia. la acción legal contra los vecinos que destruyen o modifican indebidamente las estructuras de drenaje. la demolición de obstáculos que dificulten el flujo de las aguas. tampoco. En todos estos casos se debe tener en cuenta que las vías se construyen para los usuarios. generalmente de emergencia. orillas del mar. tanto las circulares prefabricadas como los cajones rectangulares vaciados en el sitio. pueden presentar agrietamientos. Las alcantarillas de concreto.Drenaje vial para ingenieros viales 279 CAPÍTULO XXX MANTENIMIENTO DE LAS ALCANTARILLAS 30. las aguas y los agentes disueltos en ellas producen sobre el metal. La corrosión provoca el colapso de la alcantarilla. La única solución es la reposición o la reconstrucción. Aún en el caso en que la tubería no falle. debiendo llegar este recubrimiento a por lo menos el 25% del contorno en las tuberías circulares. La corrosión se presenta. se debe diagnosticar la causa y corregir la falla.1. fenómeno destructivo proveniente del ataque que los suelos. b) eliminando la afluencia de sedimentos mediante la construcción de una trampa como la ya descrita anteriormente o alguno de los métodos que se mostrarán más adelante o c) eliminando la fuente de los sedimentos mediante reforestaciones u otro método apropiado. la deformación disminuye el área útil de la tubería. FALLAS ESTRUCTURALES EN LAS ALCANTARILLAS En las alcantarillas metálicas se presenta con bastante frecuencia la corrosión. con consecuencias indeseables. la cual puede consistir en el aplastamiento de toda la tubería o de una parte de ella.). pueden producir la filtración de las aguas al cuerpo del terraplén. etc. principalmente en las zonas en que el medio es agresivo: suelos alcalinos. como consecuencia de la tubificación. por no haberse elegido el calibre de chapa apropiado o por el paso de vehículos con cargas superiores a las previstas. si ello es posible. tal vez por fallas en la manufactura de la tubería. por lo que esta debe ser reemplazada a tiempo o. además de disminuir la sección transversal. lo cual es indeseable. aunque puede presentarse también en zonas en que las condiciones son normales. el cálculo errado de las dimensiones del cajón. Las deformaciones con desprendimiento de las láminas. aguas residuales. con separación de las láminas. pues. la cual se presenta tanto en las tuberías metálicas como en las de concreto. Este problema se puede solucionar de varias maneras: a) recubriendo el fondo con concreto de alta resistencia. Otra falla frecuente es la abrasión que producen los sedimentos en el fondo de la tubería. . lo cual es una advertencia acerca de una posible falla total. etc. la mala calidad de los materiales. mala conformación y compactación del apoyo. reconstruida mediante métodos que más adelante se mencionarán. La deformación puede ser consecuencia de: el arrastre del suelo en que se apoya el tubo. tubería mal armada. una instalación deficiente (instalación sobre relleno. y terminar en la falla total del tubo. En las alcantarillas metálicas se presenta también con frecuencia la deformación de la tubería. los asentamientos del apoyo de la alcantarilla. etc. aguas con ácidos u otras sustancias químicas en disolución. el paso de vehículos con cargas mayores a las permitidas. En cualquier caso. Ello puede ser causado por la mala selección del tipo de tubería. se produce la consiguiente economía. La falla más evidente es su falta en carreteras en los que estaban previstos y no fueron construidos. si la carretera tiene un tránsito intenso. fenómeno del que se hablará más adelante. pudieran existir detrás de la tubería reparada. tal vez por olvido. Uno de los métodos. compite con ventaja con la reconstrucción convencional en los casos en que el tubo está colocado a grandes profundidades pues. puede causar molestias y demoras indeseables de los usuarios. se hace necesario reconstruirla. Esto puede producir la obstrucción del tubo por la caída de tierra en su entrada o el ataque de las aguas sobre el terraplén tanto a la entrada como a la salida. 30. volver a calcular el gasto y repasar los cálculos hidráulicos para adecuarlos a la nueva situación. por mal dimensionamiento hidráulico. En los cabezales construidos se presentan roturas del concreto por caída de piedras u otros objetos y como consecuencia de la socavación. 3. Inyección de lechada de cemento en las cárcavas que. por tubificación. Ello se puede hacer removiendo la tubería vieja y colocando una nueva. por la sedimentación y por el arrastre de desechos flotantes. Este método. por la socavación de la salida.2. consta de los siguientes pasos: 1. Los cabezales también pueden fallar estructuralmente. tal vez por un falso criterio de economía o por cualquier otra causa. Existen métodos patentados para repararlas sin necesidad de remover el tubo viejo. además de no interferir con el tránsito. al no ser necesario excavar para hacer el trabajo. 30. como consecuencia del desplazamiento de los finos del suelo y de las deformaciones. por socavación de los terraplenes. Limpieza y remoción de los sedimentos que pudieran estar obstruyendo la tubería.2.1 Variaciones en la hidrología. expuestos anteriormente. desde luego. ya que el revestimiento interno que se le aplica reduce el diámetro de la tubería. . 2. mucho más conveniente desde el punto de vista del tránsito. Es conveniente revisar la capacidad de la alcantarilla renovada antes de proceder a aplicar el método. el aplicado por la empresa HEICOVEN.280 Drenaje vial para ingenieros viales Cuando la alcantarilla ha colapsado por cualquiera de las causas expuestas. Reparación de las deformaciones de la tubería mediante gatos hidráulicos y reposición de las láminas no recuperables. En este caso habrá que revisar las condiciones actuales. FALLAS FUNCIONALES DE LAS ALCANTARILLAS El funcionamiento de las alcantarillas puede verse afectado por cambios en la hidrología. Uno de los motivos del mal funcionamiento de una alcantarilla puede ser el cambio ocurrido en la hidrología como consecuencia de los cambios producidos en el entorno por la intervención del hombre. lo cual puede resultar más barato que la remoción y. proceso que. 4. Recubrimiento interno de la tubería con concreto centrifugado y reforzado con armadura metálica. y aplicar las correcciones que resulten necesarias como consecuencia de la revisión. adaptándolos a las condiciones imperantes en el sitio. Si la socavación es muy fuerte. los cabezales se deben construir siempre con un “dentellón” vertical que impida la propagación de la socavación por debajo de la placa. la falla de una alcantarilla se puede presentar. al salir de la tubería a velocidad excesiva. La solución a este problema consiste en aplicar lo pautado en la referencia (10). en capítulos anteriores se ha descrito el proceso de diseño de varios de ellos.2 Dimensionamiento hidráulico incorrecto. es conveniente proteger también el “dentellón” mediante un enrocado. tal vez disponiendo un enrocado tal como se muestra en el punto 24. Cuando la socavación produce peligro para la integridad física de la vía. En las alcantarillas que tienen la salida ahogada. Esta es una solución que puede resultar bastante costosa y. se debe disponer un disipador de energía en la salida. etc.2. lo que pone en peligro el terraplén.3 Socavación en la salida. En todos estos casos habrá que revisar los cálculos. 30.2. donde a es el ángulo que forman las aletas con la dirección del flujo y V es la velocidad del agua a la salida. . De esta forma se provoca el resalto hidráulico y la velocidad del agua en la salida pasa a ser la normal del canal natural. empleo de alturas de agua permisibles inadecuadas. daños apreciables al ambiente o económicos a las propiedades aledañas. su ubicación. Si el caso no es muy grave. en m/s. lo cual es perfectamente posible y puede no ser achacable a un error de diseño. cerrando la abertura de las aletas del cabezal a un ángulo a= 45/V. Es frecuente que el agua. es decir. como consecuencia de una precipitación de frecuencia superior a la prevista.2. en el dimensionamiento hidráulico de la tubería. velocidades del agua en la salida mal obtenidas. también. 30.1 del capítulo XXIV pueda obtenerse buenos resultados. obstáculos en la salida no advertidos en el momento del cálculo. se suele presentar una socavación en el terraplén a los lados del cabezal producida por las turbulencias que genera la corriente al chocar con el agua de la salida (figura XXX-1).Drenaje vial para ingenieros viales 281 Puesto que la frecuencia es un concepto estadístico. aunque el diseño de un disipador de energía puede ser tarea de un especialista. Las alcantarillas pueden presentar también problemas por un dimensionamiento hidráulico incorrecto: errores en la obtención del gasto de diseño. aquellas en que la altura del agua en el canal de salida es igual o mayor que el diámetro de la tubería. pueda producir socavación y hacer colapsar el cabezal. 30.4 Socavación de los terraplenes en la salida. Para impedirlo. al no llegar el agua a la altura de la placa superior. Adicionalmente. Puesto que este fenómeno se produce precisamente en los lugares en que no existen agregados. Sur de Portuguesa y Barinas. Pie de talud Como ya se explicó en un tema anterior. 30. ya que la compactación alrededor de él (especialmente en la parte inferior) puede ser deficiente. el agua arrastra únicamente la parte más fina del suelo. . Al desplazar la parte más fina. la tubificación es el fenómeno producido en las zonas anegadizas por Figura XXX-1: socavación en el pie del terraplén. el agua que pasa por la alcantarilla siempre contiene burbujas de aire que producen un efecto de flotación. siendo capaz de arrastrar partículas cada vez mayores. el concreto resulta muy costoso en estas zonas. habrá que proteger el terraplén a Q Líneas de corriente con un enrocado o bolsas de cemento rellenas con una mezcla de cemento y arena. En las zonas anegadizas de Apure. provocando vibraciones en el tubo que aceleran el proceso de tubificación. También puede reforzarse el terraplén con una mezcla de suelo-asfalto.282 Drenaje vial para ingenieros viales En el caso en que el estrechamiento de las aletas del cabezal no sea suficiente.2. así que esta solución sobre-diseñada resulta onerosa.5 Tubificación. la estructura no trabaje como alcantarilla sino como pontón de fondo fijo. Al principio. se ha solucionado el problema construyendo cajones de concreto sobre-diseñados. de altura suficiente como para que. por su baja velocidad. Esta infiltración es mayor alrededor del tubo de la alcantarilla. la alcantarilla puede llegar a salir despedida hacia aguas abajo de su posición inicial. el agua aumenta su velocidad. causando el colapso de la carretera. hasta que el suelo llega a formar en el relleno un segundo tubo concéntrico con el de la alcantarilla. Como consecuencia de este fenómeno. el arrastre de los finos de un terraplén por parte del agua que se infiltra como consecuencia de la inundación. se produce la sedimentación. al alargar el recorrido que tiene que hacer el agua siguiendo el contorno de la pantalla. neveras y casi cualquier cosa que se pueda botar en una quebrada. estos desechos están constituidos principalmente por ramas y troncos de árboles. impidiendo la flotación del tubo sujetándolo al suelo mediante cabillas soldadas al tubo y ancladas en el suelo mediante concreto y haciendo el relleno alrededor del tubo con una mezcla de suelo-asfalto. disminuyan el gradiente de presión e impidan o.6 Arrastre de sedimentos y desechos flotantes. por lo menos. colchones. contemplada Figura XXX-2: Pantallas transversales que alargan el recorrido del agua por los fabricantes de las tuberías galvanizadas (figura XXX-2) es la disposición de pantallas planas verticales perpendiculares al eje de la alcantarilla del mismo material que la tubería o de cualquier otro. la solución obvia es la limpieza periódica de la tubería y su acceso. En ocasiones. sino también dañar las estructuras por la alta velocidad a que llegan. La mejor solución para el problema de los sedimentos es controlar la cantidad arrastrada mediante medidas aplicadas en la zona de donde provienen. En los casos en que los sedimentos no pueden ser controlados. las cuales. minimicen la tubificación. En las zonas rurales. pero si la sedimentación es muy abundante se deberá proceder a la limpieza después de cada tormenta. mientras que en las zonas urbanas. Si el remanso resultante es grande. Para pasar a través de la alcantarilla.Drenaje vial para ingenieros viales 283 Se debiera tratar de solucionar el problema de forma más económica. el agua forma un remanso en la entrada para obtener mayor energía en el que la velocidad del agua disminuye. Las aguas suelen arrastrar también los desechos flotantes que caen o son arrojados sobre su curso. se aumentaría el peso con de lo la que se evitaría la infiltración y estructura impidiendo la flotación. la velocidad del agua en la alcantarilla es muy pequeña o la cantidad de sedimentos que arrastra la corriente es muy grande. estos desechos pueden estar acompañados por basura. a disminuir peligrosamente su sección transversal. lo que resulta muy costoso e incómodo. disminuyendo con ello su capacidad. que puede llegar a obstruirla o. 30. Otra solución.2. pero esto no siempre puede ser realizado. por lo menos. Para mejorar esta situación se puede disponer una . el arrastre puede ser de grandes rocas o cantos rodados que pueden no solo obstruir las tuberías. tal como la reforestación. En realidad. provocando la sedimentación por la pérdida de velocidad de la corriente. . al que hay hacer un mantenimiento periódico. Cuando la topografía lo permite. Estos diques pueden ser metálicos o de gaviones. provocando una disminución de la velocidad del agua que facilita la sedimentación. pueden obstaculizar el flujo del agua. es decir. consiguiente debe A Figura XXX-3: dique metálico “transparente” para retención de desechos flotantes y sedimentos. tal como se muestra en la figura N° XXX-5. En la figura N° XXX-4 se muestra un deflector de grandes desechos flotantes formado por la prolongación de la pared divisoria en un cajón de dos celdas. se debe construir un acceso fácil para permitir la limpieza regular del dispositivo. en todos los casos. Para impedir estos efectos se debe disponer de trampas para desechos flotantes. Ellos retienen tanto sedimentos como desechos flotantes y son “transparentes”. que permiten pasar el agua a su través. colocando su comienzo algo separado de la boca del tubo. que puede diferir la limpieza pero no evitarla. Los desechos flotantes no solamente pueden obstruir las alcantarillas sino que. lo mismo que los metálicos. las cuales pueden tener diferentes formas. nivel de las aguas hacia arriba de los diques. también. al desacelerar las aguas. esta solución representa una trampa de sedimentos de mayor tamaño y.284 Drenaje vial para ingenieros viales trampa de sedimentos aguas arriba de la alcantarilla. Algunos de los dispositivos destinados a controlar los arrastres de desechos flotantes también son útiles para retener los sedimentos. tal como la descrita en la parte correspondiente a los canales. tal como se puede apreciar en las siguientes páginas. provoca la sedimentación (figura N° XXX-3). Los diques metálicos consisten en unos perfiles anclados verticalmente en el suelo que sostienen una especie de romanilla que no deja pasar los desechos y. impiden el paso de desechos tener y en provocan Se cuenta elevación la la del sedimentación. Lo mismo se puede hacer con cajones de más celdas y con tuberías múltiples de cualquier tipo de sección. Los diques de gaviones son muros estables construidos de gaviones dispuestos transversalmente y. sacadas de las referencias (10) y (40). puede ser recomendable la construcción de un dique interceptor. permiten el paso del VISTA FRONTAL A SECCIÓN A-A agua. En un cajón o tubería de gran tamaño se puede colocar una pantalla rectangular en la prolongación de su eje. . además de las precauciones que se pueden tomar para impedir la acumulación de desechos. En el caso de una alcantarilla cuya obstrucción puede causar daños severos. PLANTA A Muro Zapata A SECCIÓN A-A Muro Zapata Figura XXX-5: muro deflector con un solo tubo. se puede disponer de un aliviadero sobre el tubo. tal como se muestra en la figura N° XXX-6. El diámetro del aliviadero debe ser suficiente para que permita el alivio del gasto.Drenaje vial para ingenieros viales 285 PLANTA SECCIÓN A-A Pared inclinada deflectora de desechos flotantes Máximo 30° A A Zapata Zapata Figura XXX-4: pared inclinada para desviar y retener los desechos flotantes. Este dispositivo tanto trabaja como desarenador que PLANTA Hueco circular en la placa Marco Tubo metal corrugado SECCIÓN A-A Pletina soldada Reja soldada Agujeros para drenaje 20x8 cm A A Tubo metal corrugado Marco atornillado PLANTA DE LA REJA Reja soldada Pletina soldada Placa Relleno de concreto Tubo de metal corrugado Marco atornillado al concreto y el tubo La altura del dispositivo la fijará el ingeniero Figura XXX-7: trampa de sedimentos y desechos flotantes para tubos enterrados. (40) . entrada está restringida por una reja metálica. la se proteger entrada mediante una tanquilla cubierta con una tubería metálica vertical cuya Figura XXX-6: aliviadero sobre la tubería para impedir que el nivel de agua suba más arriba del nivel de daños.286 Drenaje vial para ingenieros viales En el caso de que hubiera que disponer el extremo aguas arriba de la alcantarilla por debajo del nivel puede del terreno natural. Fuente: Ref. tal como se muestra en la figura N° XXX7. (40) Para retener solamente grandes desechos flotantes o rocas. que consiste en varias piezas de concreto armado de sección cuadrada que se colocan mediante unas cabillas de φ1” de forma que dejen pasar el agua entre ellas.15 Hueco para la cabilla D 4 Cabillas φ1” (se puede seguir aumentando la altura) Pieza de concreto Figura XXX-10: retención de D desechos para alcantarillas de pequeños diámetros. En el caso en que el cauce no esté bien definido. PLANTA Cabillas A D 0. Si se espera la presencia . trabajando como un vertedero. Fuente: Ref. A esta cerca se le puede añadir una viga que una el extremo superior de los elementos verticales y uno o más travesaños intermedios. se puede usar una especie de cerca formada por perfiles o tuberías de acero hincadas en el suelo cuya separación dependerá del tamaño de los desechos que se pretenda controlar. Para tuberías de pequeño tamaño en que no se presenten grandes arrastres de desechos y sedimentos se puede utilizar el dispositivo descrito en la figura N° XXX-8.5D 0. Esta cerca se dispondrá a cierta distancia aguas arriba de la boca de entrada de la alcantarilla.Drenaje vial para ingenieros viales 287 trampa de sedimentos. se puede disponer la cerca de forma que proteja la entrada de la alcantarilla por todos los costados. permita el paso del gasto de diseño. Si la altura del agua sobre el tubo vertical es muy grande.15 φ1” A D 1. teniendo en cuenta que la retención de desechos flotantes puede provocar el aumento del nivel de las aguas (figura N° XXX-11). (40) Anclaje de concreto Figura XXX-8: retención de desechos para alcantarillas de pequeños diámetros. El perímetro de la tubería debe ser suficiente para que. este trabajará como un orificio. Fuente: Ref. las ramas que lleguen flotando serán retenidas por ella y se impedirá que lleguen a la alcantarilla o puente que esté colocado aguas abajo. De esta forma. Para detener rocas. PLANTA Perfiles 906 905 904 903 VISTA FRONTAL anclados Anclajes 903 904 905 906 Viga metálica opcional Travesaño opcional. En los cursos de agua se puede colocar transversalmente una guaya anclada firmemente en las orillas y ligeramente por encima del nivel máximo de las aguas. . es mejor colocar una guaya. estos travesaños pueden ser sustituidos ventajosamente por una guaya que amortigua los impactos.288 Drenaje vial para ingenieros viales de grandes piedras. Figura XXX-9: valla de retención de desechos flotantes y grandes rocas. En las siguientes páginas se muestran cuatro estructuras metálicas tomadas de la referencia (10) y destinadas a impedir que los desechos flotantes obstruyan las alcantarillas. (10) . Fuente: Ref.Drenaje vial para ingenieros viales 289 Figura XXX-10: deflector de arrastres flotantes y cantos rodados. (10) . El tensor de guaya soporta el impacto de los cantos rodados.290 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXX-11: deflector de arrastres flotantes y cantos rodados. Fuente: Ref. Fuente: Ref. (10) .Drenaje vial para ingenieros viales 291 Figura XXX-12: barrera inclinada de protección contra desechos flotantes. 292 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXX-13: barrera de protección contra desechos flotantes. Fuente: Ref. (10) Drenaje vial para ingenieros viales 293 CAPÍTULO XXXI SUBDRENAJES El subdrenaje consiste en la expulsión del agua depositada en las capas superficiales de los suelos, impidiendo que llegue hasta la base y ponga en peligro el pavimento Para evitar el deterioro que el agua subterránea puede causar a los pavimentos no basta con aumentar su espesor, ya que el daño depende de la presión de poros y el movimiento del agua. El agua en los suelos se comporta como un flujo laminar en medio poroso, al cual se puede aplicar la ecuación de Darcy: Q=K.i.A donde Q es el gasto en m3/s; i es el gradiente hidráulico medido en la dirección del flujo, expresado en m/m; A es el área de la sección transversal que se está considerando, en m2, y K es una constante conocida como el coeficiente de permeabilidad que depende de la naturaleza de los suelos. Las aguas pueden llegar al pavimento siguiendo varias vías: a través de él; por capilaridad desde la base; desde la subrasante y desde acuíferos adyacentes. En las ciudades también son frecuentes las filtraciones de los servicios de cloacas y acueductos. Las aguas subterráneas se drenan de varias formas: a través de la base del pavimento, si esta es lo suficientemente porosa; por evaporación; pasan a otras zonas del suelo por infiltración lateral; percolan hacia la subrasante; por el fenómeno del “bombeo”, a través de las grietas del pavimento y, por último y principal, por el subdrenaje cuando existe. Los gastos que entran al pavimento dependen de las precipitaciones de la zona; de la permeabilidad de los suelos y del estado del pavimento (grietas, juntas, porosidad del mismo, pendientes, etc.). El gasto que suele resultar más importante es el proveniente de la humedad del suelo y de las corrientes de agua subterráneas pero, aunque no es difícil de calcular, exige establecer el gradiente hidráulico y determinar el coeficiente de permeabilidad de los suelos, estudios que pocas veces se realizan en el momento del proyecto o de la construcción, a menos que exista un problema grave apreciable a simple vista. En la etapa del mantenimiento, debieran llevarse a cabo estos estudios siempre que el problema de la presencia del agua subterránea lo amerite. Para drenar estas aguas subterráneas se disponen capas de material granular filtrante, como la base del pavimento, tuberías de concreto perforadas y colocadas en zanjas rellenas con el mismo material o una combinación de las dos soluciones anteriores. El material filtrante debe tener un coeficiente de permeabilidad de por lo menos 1 cm/seg. para que rompa la capilaridad y permita la salida del agua a su través. Este material debe quedar aislado del suelo por medio de un geotextil, de forma que el flujo no arrastre los finos del suelo hacia la capa filtrante y la contaminen, ya que ello puede llenar sus vacíos e impedir el drenaje del agua subterránea. 294 Drenaje vial para ingenieros viales Existen muchas formas de drenar el subsuelo: bombeo mediante pozos (well points), túneles, pilotes de arena, etc. Sin embargo, todos esos métodos son complicados, exigen de la intervención de especialistas y necesitan ser observados y mantenidos. Las formas más utilizadas de subdrenaje son la zanja drenante y la capa permeable, las cuales se muestran combinadas en la figura N° XXXI-1 de la siguiente página. En la etapa de mantenimiento y cuando el problema no es muy grave, se puede aplicar una de estas soluciones o ambas a la vez aunque no se haya hecho un estudio serio del problema. Se deberá ser generoso en el dimensionamiento, pues como la construcción no es muy costosa, es mejor sobrestimar la solución que quedarse corto. En la Ref. (8) se recomienda la siguiente granulometría para el material filtrante de los subdrenajes: CEDAZO 1,5 “ 0,5 “ Nº 4 Nº 10 Nº 20 Nº 40 Nº 100 Nº 200 % QUE PASA, EN PESO 100 50-100 30-55 15-35 5-20 0-12.5 0-5 0-2 Drenaje vial para ingenieros viales 295 Talud Cuneta revestida Capa drenante Pavimento Flujo de la plataforma Mortero e= 8 cm Zanja drenante Min. 0,20 m Geotextil si solamente hay zanja Geotextil si solamente hay capa drenante Geotextil en todo el contorno Flujo del talud Min. 0,60 m Tubería perforada Figura XXXI-1: Combinación de zanja drenante con capa filtrante, construidas con material granular filtrante. φ min. 0,15 m 296 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXXII LAS CARRETERAS Y LOS RÍOS Pareciera que los ríos, por ser creaciones de la naturaleza, no debieran necesitar ningún mantenimiento. Esto puede ser cierto en las regiones en que el hombre no tiene presencia, donde los cambios del curso de los ríos constituyen modificaciones geomorfológicas que conducen a formar un nuevo paisaje. Sin embargo, donde estos cambios pueden afectar a la población humana, se hace necesario intervenir para protegerla. La humanidad, desde los comienzos de las sociedades sedentarias, se ha asentado en las proximidades de los ríos, ya que estos le brindan agua y, en muchas ocasiones, le sirven como vías de comunicación. Adicionalmente, las llanuras de inundación brindan tierras fértiles y relativamente planas que facilitan los cultivos. Esta proximidad a los ríos ha producido en muchas ocasiones lo que se llaman “catástrofes naturales”, cuando en realidad la “catástrofe” la representan la presencia del hombre y sus intervenciones del medio ambiente realizadas para mejorar su vida. La hidráulica fluvial es una de las más difíciles ramas de la hidráulica, por lo que este capítulo se limitará a hablar someramente de algunos problemas en que ella interviene, no con la intención de capacitar al ingeniero para que pueda resolverlos, sino para que tenga una noción más clara de lo que puede representar una intervención desafortunada en un río. Más adelante se brindarán algunos conocimientos que puedan resultar útiles a los ingenieros encargados del mantenimiento vial cuando tengan que bregar con los ríos que cruza una carretera o que discurren en sus proximidades. El mejor consejo que se puede dar es que, en caso de dudas, se acuda a un ingeniero experto en hidráulica fluvial, ya que no todos los ingenieros hidráulicos manejan esta especialidad. Los ríos se parecen en sus reacciones a los seres vivos, pues están en un constante proceso de evolución. Su caudal es cambiante y sus características geométricas están en una situación de equilibrio inestable en el que intervienen el caudal, la pendiente, la velocidad del agua, el arrastre de sedimentos y sus características, la geología, etc. Un cambio en uno de estos elementos produce un ajuste de todos los demás para lograr el equilibrio. Las actividades humanas en sus inmediaciones representan otro factor de cambio. Es por todo ello que la hidráulica fluvial es una de las más difíciles ramas de la hidráulica. En este capítulo se va a hablar someramente de algunos problemas en que interviene esa ciencia, pero solamente con la intención de que el ingeniero vial pueda tener una noción más clara de los problemas que representa una intervención desafortunada en un río. También se brindarán algunos conocimientos que puedan resultar útiles a los ingenieros encargados del mantenimiento vial cuando tengan que bregar con los ríos que cruza la carretera o que discurren en sus proximidades. El mejor consejo que se puede dar es que, en caso de dudas, se acuda a un ingeniero hidráulico experto en hidráulica fluvial, ya que no todos los ingenieros hidráulicos manejan esa especialidad. Drenaje vial para ingenieros viales 297 La humanidad, desde los comienzos de las sociedades sedentarias, se ha asentado en las proximidades de los ríos, ya que estos le han brindado agua y, en muchas ocasiones, le sirven como vías de comunicación. Adicionalmente, las llanuras de inundación brindan tierras fértiles y relativamente planas que facilitan los cultivos. Esta proximidad con los ríos ha producido en muchas ocasiones lo que se llama “catástrofes naturales”, cuando en realidad la “catástrofe” la representan la presencia del hombre y sus intervenciones en el medio ambiente realizadas para mejorar su vida. Una forma de invasión de los ríos y las llanuras de inundación son los cruces de los ríos por parte de las carreteras: las constricciones del cauce provocadas por los puentes; el enderezado de los cauces para su embocadura; los terraplenes de acceso que llegan a invadir el propio cauce; los trabajos de estabilización de las márgenes, etc. Mientras que el caudal del río es normal, estos trabajos no producen ningún problema, pero requieren protección cuando se presentan las crecientes. También hay invasiones de ríos no relacionadas con el cruce de los cauces: las llanuras de inundación constituyen una alternativa fácil y económica para el trazado de la carretera y, en ocasiones, constituyen la única ruta posible; en ciertas oportunidades, como puede suceder en el ensanchamiento de una vía existente, se rellena una parte del cauce del río; otras veces, un tramo del curso del río es enderezado, eliminando meandros para dar paso a la carretera; etc. Los principales factores que afectan a los ríos aluviales son los siguientes: ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ Gasto líquido. Gasto sólido o carga de sedimentos. Pendiente longitudinal. Coeficiente de resistencia del fondo y las riberas. Vegetación. Geología y tipos de sedimento. Intervenciones del hombre. Los ríos son grandes transportadores de sedimentos. El aumento de capacidad de arrastre producida por la creciente provoca una socavación generalizada que hace que el fondo del río descienda y la corriente transporte los sedimentos. Al disminuir la velocidad por el descenso del nivel de las aguas, el río depone el exceso de sedimentos y deja el nivel del fondo en los mismos niveles en que estaban antes de la creciente. Este fenómeno obliga a que cualquier obra que se haga sobre un río esté fundada por debajo de la profundidad de la socavación pues, de otra forma, esta eliminará el soporte del suelo y provocará el colapso de la estructura. En las curvas se forma una corriente helicoidal que provoca socavación en el borde exterior y sedimentación en el interno, resultando un “pozo” y una playa (figura XXXII-1). 298 Drenaje vial para ingenieros viales Cuando baja la creciente, en los Altura normal tramos rectos se deposita más sedimento que en las curvas, formando lo que se llama un vado, pues es en esa zona por donde se puede cruzar el río con más facilidad. A la línea que une los puntos más profundos de cada sección transversal se la conoce como thalweg. En la el figura croquis XXXII-2 del se Thalweg Playa Figura XXXII-1: corriente helicoidal en las curvas. PLANTA 2 Thalweg 6 1 Vado 3 5 Vado muestra perfil 7longitudinal del thalweg de un río y 4 PERFIL DEL THALWEG sus secciones transversales. 32.1. EFECTO DE LAS CARRETERAS SOBRE LOS RÍOS La 1 2 3 4 5 6 SECCIONES 1, 3, 5 y 7 SECCIONES 2, y 6 construcción de una carretera tiene efectos sobre la 7 hidráulica y la geomorfología de los ríos, tanto a corto como a largo plazo. SECCIÓN 4 32.1.1 Efectos plazo. en el corto La contracción del cauce por Figura XXXII-2: perfil de un río. efectos de la construcción de la carretera generalmente provoca socavación generalizada del fondo y localizada en ciertos puntos, depositándose los sedimentos así removidos en las cercanías, aguas abajo de la contracción. Como consecuencia de la deforestación y remoción de tierra en las actividades de la construcción, muchas áreas se hacen pasibles de erosión. Así, a menos que haya un gran control durante la construcción, la escorrentía superficial arrastra los sedimentos y aumenta la sedimentación en los cauces. Especialmente en el segundo caso. a su vez. . Estas obras generalmente causan un estrechamiento del cauce y acortan el recorrido del flujo. Esto es especialmente cierto cuando las modificaciones provienen de la intervención del hombre sobre los cauces. provoca un aumento de la socavación aguas arriba y la deposición de sedimentos en donde se recuperan las condiciones normales del río aguas abajo. también. en que la socavación puede atacar el fondo y las riberas y destruir las estructuras a lo largo del cauce. 321. aumenta la velocidad del agua. por lo que disminuye la sección transversal. el gradiente hidráulico de los tributarios aumenta y. Ello. se debe considerar también la acción de los ríos sobre las estructuras de las carreteras. tal como los puentes. causar daños importantes a la biomasa de la corriente.2 Efectos a largo plazo Frecuentemente es necesario enderezar el cauce del río para alinearlo con la embocadura del puente. 32. como consecuencia. esto puede provocar la falla de estructuras en los tributarios. aumenta la velocidad del agua y el arrastre de sedimentos provoca la socavación generalizada de su cauce. ya que ciertas especies solamente pueden soportar grandes cantidades de sedimentos durante un corto tiempo.Drenaje vial para ingenieros viales 299 Los sedimentos en suspensión pueden. En casos extremos. aumenta la pendiente y. Si el tramo estrechado es largo. Esto afecta a significativamente a los cauces tributarios que descargan en él pues. por ejemplo: a) El desvío de aguas desde o hacia un río: el cambio del gasto cambia la capacidad de arrastre de sedimentos de la corriente. puede producirse una notable disminución de la altura del perfil del agua. al disminuir la altura del agua en el canal principal. Estas intervenciones pueden ser. por consiguiente.2 EFECTOS DE LAS MODIFICACIONES DE LOS RÍOS SOBRE LAS CARRETERAS Puesto que los ríos están en una continua evolución. pudiendo causar la falla de estructuras situadas a lo largo de él o. medida a lo largo del cauce. produciéndose una fuerte socavación aguas L1 Figura XXXII-4: diferentes longitudes de recorrido en el corte de un meandro. al aumentar la altura del agua. disminuye su velocidad y aumenta la sedimentación. 1 L2 2 por lo que su capacidad de arrastre aumenta abajo. como consecuencia. Esta modificación provoca la socavación generalizada del cauce. cuando disminuye la velocidad del flujo. Puesto que el desnivel Δh entre esos puntos no ha variado. gradiente del río y.300 Drenaje vial para ingenieros viales b) Perfil del agua con el dique Perfil del agua original Construcción de represas para almacenamiento de agua o para el control de inundaciones (figura XXXII3): las represas sirven como un decantador de los sedimentos del río. provocan una disminución del Figura XXXII-3: Perfil del agua provocado por un dique. e) Canalización y revestimiento del cauce: la disminución del coeficiente de rugosidad del contorno acelera las aguas. Las aguas que salen de la represa no llevan sedimentos. la velocidad del flujo también aumentó. . la pendiente aumentó (Δh/L1<Δh/L2) y. el río puede generar nuevos meandros aguas abajo. Hacia aguas arriba. variando así el equilibrio del cauce. por consiguiente. en la búsqueda de un nuevo equilibrio. d) Extracción de arena y grava: esta explotación cambia los tamaños de los sedimentos. lo que provoca socavación generalizada aguas arriba y sedimentación aguas abajo. es L1. Al modificar el meandro introduciendo el corte en línea recta. considerablemente. cc) Cortes de meandros (figura XXXII-4): La distancie entre los puntos 1 y 2. la distancia entre los puntos 1 y 2 queda reducida a L2. en todos los casos.3 EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LOS CAUCES NATURALES En el próximo capítulo se describirá varios métodos para proteger las riberas de los ríos.Drenaje vial para ingenieros viales 301 32. incluso. muy onerosos. como en todo tipo de mantenimiento. Esta es una actividad relativamente económica. Es por ello que. si los daños producidos por las aguas son graves y. es imprescindible la realización de inspecciones periódicas a todos los cursos de agua próximos a las carreteras. . la caída de un puente por la socavación de sus bases. Muchos de estos métodos son de difícil (cuando no imposible) aplicación. especialmente si se compara con los elevados desembolsos que implican la protección de una ribera con espigones o. tanto la natural como la provocada por la intervención humana. generalmente preventivo. especialmente los de llanura. Para protegerlas se deben aplicar acciones de mantenimiento. especialmente las de las carreteras. tales como el cuerpo de una carretera que corra paralela al río o los estribos de un puente. donde las condiciones del cauce vuelven a ser las normales. Si los gastos son moderados. 2) protección de curvas mediante el retardo de las aguas en la orilla. 33. estén conformados por barrancas casi verticales. jacks.1.302 Drenaje vial para ingenieros viales CAPÍTULO XXXIII MANTENIMIENTO DE LOS CAUCES NATURALES Como consecuencia de la inestabilidad de los ríos.2. La sedimentación produce el desbordamiento de los ríos como consecuencia de la disminución del área de la sección transversal. descubiertos a tiempo mediante las inspecciones. . especialmente en las curvas. 3) protección mediante espigones y 4) protección mediante cubiertas duras. sustituyendo la socavación por la deposición de sedimentos. El aumento de la socavación trae también como consecuencia una deposición de sedimentos aguas abajo. se puede sembrar bambú o arbustos en las riberas y gramíneas en los terraplenes. Por ejemplo. 33. PROTECCIÓN MEDIANTE EL RETARDO DE LAS AGUAS Una forma de proteger las riberas es desacelerar las aguas que entran en contacto con ellas.3. Las medidas de protección pueden ser de varias clases: 1) protección mediante limpieza del cauce y siembra de plantas. se debe comenzar por la limpieza del cauce retirando los árboles caídos y otros obstáculos que puedan provocar el desvío de la corriente. mientras que la socavación arrastra los sedimentos produciendo el cambio en el alineamiento horizontal y el perfil longitudinal del río. Una vez más se recomienda la prudencia y acudir a un especialista cuando haya dudas sobre algún problema. 33. las obras construidas en sus inmediaciones pueden sufrir los embates de las crecientes y poner en peligro la integridad física de las estructuras. generando peligro en estructuras existentes en sus inmediaciones. PROTECCIÓN DE LAS RIBERAS Es usual que las márgenes de los ríos. En esos casos es necesario aplicar acciones de mantenimiento para obligar al río a mantener su curso o proteger la carretera. tetraedros. Esta desaceleración se consigue mediante elementos como cercas. La tendencia de los ríos a cambiar su curso produce muchas veces el ataque de las aguas a dichas barrancas. espigones transparentes o espigones impermeables. las riberas pueden ser protegidas mediante reforestaciones con plantas resistentes al agua. PROTECCIÓN MEDIANTE SIEMBRA DE PLANTAS Si los problemas son incipientes. de forma que.1 Protección mediante cercas Las curvas pueden protegerse mediante una cerca construida con postes de madera con diámetro entre 20 y 30 cm. con lo cual se regenera la orilla. ramas. Su cabeza debe estar entre 1. Los postes soportarán una tela metálica fuerte colocada en el lado que da hacia el agua.3. que amortiguará la velocidad del agua. .0 m. rieles o tuberías de acero de desecho. o postes prefabricados de concreto (figura XXXIII-1). Al disminuir la velocidad del agua por la presencia de la maleza. La distancia entre sus ejes debe ser entre 1.8 y 2. cuando se presente la socavación.Drenaje vial para ingenieros viales 303 33.8 m por encima del nivel normal del agua y la mitad de su longitud debe estar hincada por debajo del nivel de socavación. la tela metálica adopte la posición vertical e impida la salida de la maleza. En su borde inferior. la cual retendrá un relleno de malezas. la tela metálica estará doblada sobre el fondo del río con un ancho igual a la socavación esperada y llevará sujetos unos pesos hechos con bloques de concreto. se provoca la sedimentación. etc.5 y 1. la cual se refuerza mediante barras que unen el centro de sus lados. socavación a SECCIÓN A-A Nivel normal Relleno de maleza Fondo del río Tela metálica 1. el peso obliga a la cerca a adoptar la posición vertical VISTA FRONTAL 1.2 Protección mediante jacks y tetraedros Los jacks son estructuras formadas por tres barras perpendiculares entre sí firmemente unidas. (45) 33. construidas con rieles de ferrocarril de desecho. . Fuente: Ref. trancos de madera o piezas de concreto (figura XXXIII-2).3.5 a 1.8 a 2.304 Drenaje vial para ingenieros viales PLANTA Cerca A A a≈ prof. se enrolla un alambre firmemente sujetado a las barras.0 m Fondo del río Socavación esperada Pesos de concreto Figura XXXIII-1: cerca de protección en una curva.8 m por Pie de la barranca Borde superior encima de la altura normal del agua Peso de concreto Poste Cuando se produce socavación. Para aumentar su resistencia al flujo. Los tetraedros son estructuras metálicas con esa forma geométrica. 4. impedir su choque con la orilla y producir remansos que provoquen la sedimentación. Una forma de inducir al flujo a adoptar un camino seleccionado es disponer los jacks o tetraedros cubriendo una superficie amplia. en sus extremos. tal como se muestra en la figura XXXIII-3. Curso actual Los jacks y los tetraedros se colocan en fila no dejando espacios entre ellos mayores que sus propias dimensiones. Se dispondrá una hilera a lo largo del borde del cauce proyectado. . 33. en las curvas (figura XXXIII-4). Fuente: Ref. Se colocan perpendiculares a la orilla en los tramos rectos y ligeramente inclinados hacia aguas abajo.Drenaje vial para ingenieros viales 305 Estas estructuras se colocan a lo largo de la barranca o en las zonas que se quiere proteger. separación estará entre 15 y 60 m. Puesto que pueden ser arrastradas por la corriente. Este método será eficaz si las aguas arrastran bastantes desechos flotantes y la concentración de sedimentos es alta. Trazado seleccionado Líneas de jacks o tetraedros Su la inclinación barranca 45° hacia entre es con de aguas hileras respecto abajo. (47) unas piezas de concreto enterradas en el suelo. es decir. separadas entre sí por una distancia máxima igual a su JACK propia TETRAEDRO longitud. aumentando así su coeficiente de rugosidad. a Figura XXXIII-2: jack y tetraedro. es necesario sujetarlas mediante un cable que se amarra a ellas y. PROTECCIÓN MEDIANTE ESPIGONES Los espigones son construcciones que salen de la orilla del río y penetran en la corriente para desviarla. a unos “muertos”. La a aproximadamente Figura XXXIII-3: aumento de la rugosidad para encauzar un río. formando una L o una T. provocan una desaceleración del flujo y la consiguiente sedimentación. Estos últimos suelen estar termina- Pie barranca y curso actual Curso modificado Espigones Figura XXXIII-4: modificación del curso de un río mediante espigones. Según la literatura disponible. dos por extensiones paralelas al flujo. los cuales soportan una tela metálica. Los primeros dejan pasar el agua a su través y. . tal como lo descrito en la figura XXXIII-5.306 Drenaje vial para ingenieros viales ENCAUZAMIENTO DE UN TRAMO RECTO Hay dos tipos de Pie barranca Curso actual Puente espigones: permeables o transparentes e impermeables. 33. al frenar la velocidad del agua. las crecientes los arrastrarían. al dificultar el paso del agua. Espigones transparentes La función de estos espigones es dejar pasar el agua a través de ellos. reteniendo algunos desechos flotantes los que.4. provocan la sedi- Curso modificado Espigones ENCAUZAMIENTO DE UN TRAMO EN CURVA mentación. estas estructuras pueden resultar eficaces y son mucho más económicas que otras soluciones. provocando un remanso entre cada dos espigones consecutivos (figura XXXIII-7). El más sencillo de todos consiste en una sola fila de postes clavados en el fondo y unidos en su extremo superior por una pieza longitudinal. Desgraciadamente no parece haber experiencias en el país acerca de su uso. de otra manera. Debe asegurarse de que los postes están suficientemente enterrados en el fondo pues.1. mientras que los segundos son macizos y no dejan pasar el agua a su través. Fuente: Ref. (46) PLANTA PARCIAL SECCIÓN TRANSVERSAL Tela metálica o alambre de púas ≈ 2. condición impuesta por la longitud de los postes disponibles. a manera de un gavión (figura XXXIII-6). Sin embargo. no son muy útiles cuando la velocidad del agua es muy alta o la corriente tiene pocos sedimentos en suspensión. Solamente pueden ser usados en ríos de profundidad moderada. pues la desaceleración en esas condiciones será suficiente para provocar la sedimentación. Cesta o gavión de alambre con piedras grandes (opcional) ≈1. la profundidad del agua y la longitud de los postes. haciendo la salvedad de que son más efectivos cuando están más cercanos entre sí. condiciones en las que la protección de las riberas y el desvío de la corriente solamente será parcial. La longitud de los espigones la fijan la distancia entre la barranca y el borde del cauce que se pretende obtener.Drenaje vial para ingenieros viales 307 Otra forma de espigón transparente es un armazón formado por una doble fila de postes entrelazados. El espacio entre dos espigones adyacentes puede estar entre tres y treinta veces la longitud del espigón situado aguas arriba (46). la cual lleva una tela metálica en la cara que recibe la corriente y puede llevar en su interior una cesta de tela metálica llena de piedras de gran tamaño. Estos espigones son muy efectivos cuando la velocidad del agua es moderada y Figura XXXIII-5: espigón transparente de una sola fila.80 Tela metálica o alambre de púas Figura XXXIII-6: espigón transparente con dos filas de postes. . Fuente: Ref.40 Var. (46) hay gran cantidad de sedimentos suspendidos. 0 m < b < 5.5 b b<d<3b A D C Variable Figura XXXIII-8: espigón impermeable insumergible. la obligando a las aguas a seguir una ruta predeterminada.5 b < c < 1.0 m 0. También provocan sedimentación pero por medios diferentes que los transparentes: en este caso.308 Drenaje vial para ingenieros viales 33. se Borde proyectado Espigón forma un remanso entre los espigones consecutivos y. como consecuencia. Espigones impermeables Los espigones impermeables alejan la corriente de las márgenes Borde actual Líneas de corriente en peligro.2. (47) . Fuente: Ref. se Figura XXXIII-7: funcionamiento de los espigones impermeables.4. a E F G c H Eje de b b la vía d B b<a<2b 1. siendo h la diferencia de altura entre el tirante de la máxima creciente y el del estiaje. El extremo del espigón puede terminar sencillamente como un terraplén o con prolongaciones a 90°.75h. los gaviones se construyen trabados (unos colocados longitudinalmente y otros transversalmente) de forma que ofrezcan una mayor estabilidad.1 del capítulo XXIV y sobre el que se volverá a hablar más adelante. los gaviones van apoyados sobre el suelo. por lo que se comportan como espigones impermeables.Drenaje vial para ingenieros viales 309 provoca la sedimentación y el relleno del espacio. adaptadas al hábitat local.5:1. con un valor mínimo de 4. parece prudente que. el cual es construido en el país bajo licencia de una firma extranjera. cubriéndose posteriormente de vegetación que contribuye a la consolidación del relleno (figura XXXIII-7). de 1. o bien se construirá todo él como un piedraplén. formado en este caso por el tramo C-D-E-F que está en dirección de la corriente. El coronamiento y los taludes de tramos A-B-C y F-G-H se reforestarán con gramíneas de fuerte arraigo.00 m. Las medidas dadas en ella son indicativas. Otra forma de construir un espigón es mediante gaviones. un gavión cuya base es grande y su altura es del orden de los 30 cm. Esta profundidad deberá ser aumentada cuando el caso lo requiera. o bien se protegerá fuertemente el terraplén con un enrocado del tamaño descrito en el punto 24. por lo que. Los espacios que queden entre los gaviones y la barranca se rellenan de roca suelta para impedir que el agua corra libremente por los huecos. La parte más vulnerable es el extremo.25h < p < 0. En la descripción que de ellos hacen en la referencia (47). no necesitan de los desechos flotantes para su funcionamiento. se construya un “colchón” de gavión. Sin embargo. Aunque los de este tipo son permeables. por lo menos. adaptándose a la forma del suelo cuando se produce la socavación e impidiendo de esta manera que ella ataque a la estructura. es decir. adoptando la forma de L (como en la figura) o T. Estos colchones sobresalen una distancia W de los gaviones y se deforman fácilmente. bajo ellos. Como se puede apreciar en la figura XXXIII-9. La fundación será una capa de concreto pobre o ciclópeo. de roca o de gaviones que llegue hasta una profundidad p tal que entre 0. Su altura debe ser suficiente como para que no quede sumergido durante las crecientes. por lo que hay que adaptarlas a las condiciones del sitio. El cuerpo del espigón puede ser construido con el mismo material que los terraplenes de la carretera y la pendiente de los taludes será. . En la figura XXXIII-8 se muestra la planta de un espigón en forma de T (47). La distancia W debe ser igual o mayor que dos veces la profundidad de la socavación. con un tamaño adecuado de las piedras.5. tal vez no sea . si el río tiene un caudal de estiaje considerable. evitando la disgregación de los diferentes tamaños y con sus bordes de la forma descrita. tal como los enrocados.5. (47) 33. Fuente: ref. PROTECCIÓN MEDIANTE CUBIERTAS DURAS En muchas ocasiones.00 m W Colchón de gavión El colchón se adapta a la socavación d Figura XXXIII-9: espigón de gaviones. 33.310 Drenaje vial para ingenieros viales PLANTA A W A Relleno de rocas SECCIÓN A-A W ≥ 2d Wmin= 4. Sin embargo. El enrocado El enrocado se construye tal como fue descrito en el capítulo XXIV. los colchones de piedras o de losas de concreto. En estos casos se usan recubrimientos no erosionables. lo que se pretende es solamente proteger una margen del río que esté siendo atacada por la corriente.1. 5. Las piedras pueden ser sustituidas por sacos llenos de una mezcla de arena y cemento. cuatro metros de ancho. Es nece-sario disponer un geotextil entre el colchón y el suelo para que sirva de filtro. Fuente: Ref.00 m. esto es. considerándose suficiente un ancho del lecho W>2d Zanja rellena de piedras Las piedras se acomodan después de la socavación W Figura XXXIII-10: zanja rellena de piedras. . Este inconveniente se soluciona disponiendo a todo lo largo del pie de la margen a proteger una zanja que se rellena de piedras del tamaño indicado en el citado capítulo. Es conveniente perfilar el talud con una pendiente que sea estable cuando el nivel de la corriente desciende. 33. cuando la barranca sea erosionada hacia la zanja. La zanja puede no estar al pie de la barranca: en ríos de tamaño medio a grande se la puede construir por encima del nivel de las aguas a todo lo largo y. ellas se deslizarán hasta su fondo. por lo menos. las rocas se deslizarán hacia abajo pavimentando la socavación resultante. También se puede depositar las piedras sin excavar la zanja y. las piedras se desplazan junto con ella y constituyen una nueva coraza que impedirá su progreso hacia la barranca. Al producirse la socavación. (46) (d= profundidad de la socavación esperada) o W ≥4.Drenaje vial para ingenieros viales 311 posible construirlo de esa manera. cuando se produzca la socavación. La protección del pie se proporciona exten-diendo el colchón por el fon-do un ancho W igual a dos veces la socavación espera-da o.2. tal como se puede ver en la figura XXXIII10. se puede proteger la barranca con un colchón de gavión. El tamaño de la zanja depende de la profundidad de socavación esperada. Protección con colchones de gavión Cuando el tamaño de las piedras disponibles es menor al indicado para la velocidad del agua. protegiendo la barranca. un gavión de gran base y pequeña altura (figura XXXIII-11). con un refuerzo metálico que forma ojales en los extremos mediante los que se sujetan entre sí por medio cables o cabillas (figura XXXIII-12). Más adelante se muestra la tabla XXXIII-1 que puede resultar útil para la selección del método de protección más conveniente en cada caso.5:1 W Cable Geotextil Colchón después de la socavación d Figura XXXIII-11: protección mediante un colchón de gavión. Estos colchones se sujetan al piso mediante cables anclados. en lugar del colchón de gavión.312 Drenaje vial para ingenieros viales Colchones Nivel máximo 4.5:1. Es de hacer notar que. solo que. (46) La pendiente del talud será igual o menor de 1. estos pueden romper el alambre de los colchones y destruir la protección. si la corriente arrastra guijarros y rocas. También puede ser un problema la oxidación de los alambres. Protección mediante colchón de losas de concreto Funciona de forma parecida a la anterior.5.00 m ≤ W ≥ 2d esperado Pendiente ≥ 1. La nomenclatura W y d representa lo mismo que antes. 33.3. se emplea uno de losetas de concreto colocadas al tresbolillo. A este colchón también se le debe colocar un geotextil entre las losas y el suelo para impedir que las aguas arrastren los finos por las aberturas. . Fuente: Ref. Figura XXXIII-13: nuevo curso de un río. En los ríos de llanura. .Drenaje vial para ingenieros viales 313 Cables o cabillas PLANTA Q SECCIÓN DE LAS LOSAS Refuerzo metálico Variable Refuerzo metálico Ojal Cables o cabillas Refuerzo metálico Nivel máximo esperado W Geotextil Cables longitudinales Posición de las losetas después de la socavación d Figura XXXIII-12: colchón de losetas de concreto articuladas. parte de la llanura de Cauce original Cauce modificado Socavación del terraplén Socavación localizada por la inundación. a veces. a veces. cuando el gasto es mediano su curso puede ser inestable: en los ríos torrenciales. el río corre por diferentes cauces posibles dentro del álveo. Fuente: Ref. (46) 33. en ríos que tienen un cauce recto y muy amplio.6. tal como en los conos de deyección. pueden producirse cambios en su curso formación de nuevos meandros. EMBOCADURAS Los ríos pueden cambiar de curso sin que haya ninguna causa aparente. adoptan cursos trenzados poco estables. Si embargo. Las crecientes suelen correr ocupando todo el álveo y. 314 Drenaje vial para ingenieros viales GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE MÉTODOS PARA LA PROTECCIÓN DE MÁRGENES Y CAUCES Fuente: Ref. (47) X= APLICABLE. #= DONDE NO HAY DISPONIBLES PIEDRAS DE GRAN TAMAÑO MEJORAS AL CAUCE ESPIGONES DE ENROCADO DE MADERA DE TIERRA RETARDOS DE MADERA JACKS/ TETRAEDROS CAMPOS DE JACKS DE MADERA DE ACERO PROTECCIÓN DE LAS MÁRGENES ENROCADO ZANJA CON ROCAS COLCHONES GAVIONES CONCRETO TIPO DEL RÍO Meandros Trenzado Recto Meandros Trenzado Recto Meandros Trenzado Recto X X X X X X X X X X X X X X X X X X * * * * * X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X * * * X X # # # # X X X X X X X X X X X . *= PROTECCIÓN DE BARRANCAS EN LLANURA DE INUNDACIÓN. como consecuencia.5:1 y 2. a partir de un cierto momento. En oportunidades (figura XXXIII-13).Drenaje vial para ingenieros viales 315 Por ese motivo. según la figura XXXIII-14. x. Esta curva tiene la siguiente ecuación: y= (0. Todos estos efectos se pueden contrarrestar mediante la construcción de una embocadura formada por dos espigones con forma de cuarto de elipse. aumento de la socavación localizada en los apoyos del puente. y= abscisa y ordenada de un punto. lo cual puede producir varias consecuencias: a) socavación en el terraplén.16 L2 – 0.y) X Carretera Fogura XXXIII-14: esquema de la elipse. pueda sufrir los embates de las crecientes como consecuencia del cambio de curso del río. La pendiente de los taludes estará comprendida entre 1. esos cambios pueden producir que la corriente choque con el terraplén de la carretera más allá del puente y. . es posible que. b) socavación del terraplén detrás de los estribos del puente y c) como consecuencia del cambio de dirección de la corriente. aunque un puente haya estado trabajando correctamente durante muchos años. corra paralela y pegada a él.5:1. El tramo B-C de la figura XXXIII-15 debe ser construido con 0 y Y Q L x (x. que evita la separación de la lámina por el cambio de dirección y la consiguiente turbulencia. incluidos los estribos.16 x2)1/2 [XXXIII-1] donde L= abscisa del extremo de la curva. 316 Drenaje vial para ingenieros viales R 1. medidos desde el estribo del puente. se puede obtener de la figura XXXIII-18. Qf = gasto del río.5:1 y 2. Q100= (Q-Qf)x30/b b = luz del puente. Fuente: Ref. donde Q se expresa en pies cúbicos por segundo y An2 en pies cuadrados.5:1 D A Figursa XXXIII-15: esquema de un espigón. en ft2. esta longitud L. (47) un piedraplén. en m3/s. La parte A-B puede ser construida como un terraplén de material aluvial y debe ser protegida mediante un enrocado de dimensiones adecuadas. los cuales vienen explicados en la figura XXXIII-16: Q = gasto total del río. ya que es la parte más expuesta del espigón. An2 = área mojada en el cauce en el caso en que no existiera el puente. expresada en pies. del caudal del río y del de su llanura de inundación. expresada en pies por segundo. en m. mencionada en la referencia (47). Según la publicación “Hydraulics of Bridge Waterways” del Bureau of Public Roads. en m3/s. La determinación de la longitud L es fundamental en el diseño y depende de las velocidades del agua. . Vn2 = velocidad ficticia= Q/An2. En ambos casos se debe fundar por debajo de la cota de socavación. El tramo C-D puede ser reforestado mediante gramíneas adaptadas al medio. Q100= gasto en m3/s de una sección de 30 m (100 pies) de ancho. a la cual se entra con los siguientes parámetros. que circula por la llanura de inundación del lado del espigón y es interceptado por el terraplén de la carretera.5b<R<3b Q C B 3<b<5m b Talud de pendiente entre 1. .Drenaje vial para ingenieros viales 317 Qf Q100 30 m L QF Q100 30m b 0.5L y. La longitud L que arroja la figura se refiere al espigón de un puente colocado normal a la corriente del río.5 L L 45° Cuando el puente está en esviaje. debiéndose alargar el espigón del lado que forma ángulo agudo: cuando el ángulo sea de 45°. Q 1.4 L b PLANTA SECCIÓN TRANSVERSAL Figura XXXIII-16: parámetros para determinar L. para ángulos diferentes. en pies por segundo. Figura XXXIII-17: longitud L en puente con esviaje. Los espigones deben ser colocados con su eje X paralelo a la corriente. La longitud L se obtiene entrando en las ordenadas de la figura XXXIII-17 con la relación adimensional Qf / Q100. se corta la curva correspondiente a Vn2. se adoptan medidas proporcionales. esta longitud corresponde al lado A más corto (figura XXXIII-17) en que el ángulo formado por la corriente con el terraplén es obtuso. y se encuentra en las abscisas la longitud L. en pies. este espigón deberá ser de longitud 1. 318 Drenaje vial para ingenieros viales Figura XXXIII-18: Longitud de los espigones de encauzamiento. (47) . Fuente: Ref. Drenaje vial para ingenieros viales BIBLIOGRAFÍA 1 BIBLIOGRAFÍA . Informe final. 1981. The Armco International Corporation. Mérida.K. Guilarte.I. 1975. Mario. Caracas. 1974. Caracas. Madrid. R. Victor L. “Manual de productos de acero para drenaje y construcción vial”. Editorial Dossat S.I. “Análisis de intensidad-duración-frecuencia de lluvias de Venezuela”. 16. Linsley. Julián. Juan J. CIDIAT. 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Federal Highway Administration.K. Washington. Searcy. K. 35. 1975. Erosion Control Structures. K.A.R. Federal Highway Administration. 1971. 1993. H. Highway Research Board. USA.M. Thorson. The ARMCO International Corporation. “Design Criteria for Controlled Scour and Energy Dissipation al Culvert Outlets Using Rock and Sill”. “River Mechanics”. Santiago de Chile. “Hidráulica”. Washington. “Manual de procedimientos para el cálculo hidráulico fluvial de puentes”.W. México..4 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales 33. Reise. Celestino. J. Washington 1971. Thompson. 1978.E. Caracas.C. 1980. Departamento de Estudios y Proyectos. Washington. Editorial Universitaria Universidad de Chile. J. “Highway Design Sacramento. J. Federal Highway Administration. Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 1 ANEXOS . (8) .2 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales ANEXO A CURVAS REGIONALES DE INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA Fuente: Ref. en un trabajo inédito de 1980 titulado “Regionalización de lluvias extremas en Venezuela para uso en el drenaje vial” . LAGO DE MARACAIBO a) Zona Norte b) Perijá c) Zona Central d) Zona Sur LOS ANDES a) Vertiente Occidental Elevaciones entre 200 y 800 msnm Elevaciones entre 800 y 1.000 msnm Elevaciones mayores de 1.600 msnm b) Páramos: elevaciones mayores a 1. fueron desarrolladas por Ayala. LITORAL CENTRAL Elevaciones menores de 200 msnm Elevaciones mayores de 200 msnm VII. En la Región Guayana. III. NOROCCIDENTE a) Zona Costera b) Zona Montañosa VI.000 msnm VIII. IV.000 msnm Elevaciones mayores de 1. por su extensión y escasos registros. V.CENTRO Elevaciones menores de 500 msnm Elevaciones entre 500 y 1. según la referencia (8).L. variando únicamente la escala del mapa de referencia. U.F. En algunas regiones se han preparado curvas distintas para distintos pisos altitudinales.000 msnm . Las regiones son las que se identifican a continuación: I.600 msnm LLANOS OCCIDENTALES CENTRO-OCCIDENTE Elevaciones menores de 500 msnm Elevaciones mayores de 500 msnm II. R.Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 3 Este anexo es copia del Apéndice 1 de la referencia (8). con el propósito de darle mayor importancia a la variabilidad del clima con la altura. TUY-BARLOVENTO Elevaciones entre 200 1.600 msnm c) Vertiente Oriental Elevaciones entre 200 y 800 msnm Elevaciones entre 800 y 1. solo se presentan las curvas de seis estaciones con datos de calidad homogénea y periodo de registro aceptable para la fecha del estudio. Se incluyen 36 curvas de intensidad-duración-frecuencia para catorce regiones hidrológicas diferentes que. y Mendoza. el cual se ha desmejorado para darle cabida en tamaño carta. 4 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales IX. ORIENTE a) Costa de Barlovento b) Sucre y nueva Esparta Elevaciones menores de 100 msnm Elevaciones mayores de 100 msnm XIV. DELTA DEL ORINOCO XIII. GUAYANA . LLANOS DE APURE Y AMAZONAS X. LLANOS ORIENTALES Elevaciones menores de 100 msnm Elevaciones mayores de 100 msnm XII. LLANOS CENTRALES Elevaciones menores de 200 msnm Elevaciones mayores de 200 msnm XI. F. R. 5 . (8). Autores: Ayala. y Mendoza. (1980) Trabajo inédito mostrado en la Ref.Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS REGIONES HIDROLÓGICAS Fuente: “Regionalización de lluvias extremas en Venezuela para uso en el drenaje vial”. U. L. 6 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 7 . 8 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 9 25 años 10 años 5 años 2 años . 10 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 11 25 años 10 años 5 años 2 años . 12 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 13 . 14 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 15 . 16 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 17 . 18 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 19 . 20 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 21 . 22 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 23 . 24 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . (10) .Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 25 ANEXO B NOMOGRAMAS Y GRÁFICOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LAS ALCANTARILLAS FUENTE: Ref. resulta engorroso. siguen teniendo vigencia.) Gráfico B-3 (2ª pag. 1 CONTENIDO Tabla B-1 CAJONES DE CONCRETO 2 3 4 Nomograma B-1 Nomograma B-5 Gráfico B-1 PAG. 29 30 31 32 33 34 Nomograma B-4 Nomograma B-10 Gráfico B-3 (1ª pág. Los programas de computación que resuelven el problema utilizan ecuaciones polinómicas interpoladas en ellas. por el extinto Ministerio de Obras Públicas. a pesar del tiempo transcurrido. CONTENIDO CIRCULARES METAL CORRUGADO 11 12 13 14 15 16 Nomograma B-3 Nomograma B-7 Gráfico B-2 (1ª pág. Estas curvas fueron desarrolladas experimentalmente y.) Gráfico B-7 Gráfico B-9 TUBOS DE CONCRETO 5 6 7 8 9 10 Nomograma B-2 Nomograma B-6 Gráfico B-2 (1ª pág.) Gráfico B-5 Gráfico B-9 ABOVEDADAS METAL CORRUG. Fueron desarrollados por el Bureau of Public Roads y publicados en 1947 en el “Manual de drenajes”. El autor encontró que la utilización de los gráficos y nomogramas del Anexo B se facilita en gran medida si se organiza un folleto con copias de los mismos ordenadas de la siguiente manera: PAG.) Gráfico B-4 Gráfico B-9 CIRCULARES LÁMINAS ESTRUCT. referencia (10).) Gráfico B-2 (2ª pag. 17 18 19 20 21 22 Nomograma B-3 Nomograma B-8 Gráfico B-2 (1ª pág.) Gráfico B-2 (2ª pag.) Gráfico B-6 Gráfico B-9 ABOVEDADAS LÁMINAS ESTRUC.) Gráfico B-8 Gráfico B-9 .) Gráfico B-3 (2ª pag.26 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales UN CONSEJO PRÁCTICO PRELIMINAR Este anexo contiene todos los nomogramas y gráficos necesarios para dimensionar hidráulicamente las alcantarillas de los tipos usuales en la construcción de carreteras. como para cada tipo de alcantarilla es necesario el manejo de varios de los gráficos y nomogramas mostrados en el apéndice B. 23 24 25 26 27 28 Nomograma B-4 Nomograma B-9 Gráfico B-3 (1ª pág. CONTENIDO PAG. El procedimiento de cálculo no es difícil pero.) Gráfico B-2 (2ª pag. Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 27 TABLA B-1 . 28 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales CAJONES CON CONTROL A LA ENTRADA NOMOGRAMA B-1 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 29 TUBOS DE NOMOGRAMA B-2 . 30 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales TUBOS DE METAL CORRUGADO CON CONTROL A LA ENTRADA NOMOGRAMA B-3 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 31 SECCIONES ABOVEDADAS DE METAL CORRUGADO CON Nomograma b-4 . 32 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales CAJONES DE CONCRETO A SECCIÓN PLENA (n= 0.012) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-5 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 33 TUBOS DE CONCRETO A SECCIÓN PLENA (n= 0.012) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-6 . 34 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales TUBOS DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA (n= 0.024) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-7 . 0302) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-8 .0328 a 0.Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 35 TUBOS DE LÁMINAS ESTRUCTURALES DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA (n= 0. 024) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-9 .36 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales SECCIONES ABOVEDADAS DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA (n= 0. 0327 A 0.Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 37 SECCIONES ABOVEDADAS DE LÁMINAS ESTRUCTURALES DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA (n= 0.0306) CONTROL A LA SALIDA NOMOGRAMA B-10 . 38 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales PROFUNDIDAD CRÍTICA EN CANALES RECTANGULARES GRÁFICO B-1 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 39 PROFUNDIDAD CRÍTICA EN CONDUCTOS CIRCULARES GRÁFICO B-2a . 40 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales PROFUNDIDAD CRÍTICA EN CONDUCTOS CIRCULARES GRÁFICO B-2b . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 41 PROFUNDIDAD CRÍTICA EN SECCIONES ABOVEDADAS DE METAL CORRUGADO GRÁFICO B-3a . 42 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales PROFUNDIDAD CRÍTICA EN SECCIONES ABOVEDADAS DE METAL CORRUGADO GRÁFICO B-3b . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 43 SECCIONES CIRCULARES DE CONCRETO A SECCIÓN PLENA GRÁFICO B-4 . 024 GRÁFICO B-5 .44 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales SECCIONES CIRCULARES DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA n= 0. 0328 a 0.Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 45 TUBOS CIRCULARES DE LÁMINAS ESTRUCTURALES DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA (n= 0.0302) GRÁFICO B-6 . 46 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales SECCIONES ABOVEDADAS DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA n= 0 024 GRÁFICO B-7 . 0327 a 0 0306 GRÁFICO B-8 .Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 47 SECCIONES ABOVEDADAS DE LÁMINAS ESTRUCTURALES DE METAL CORRUGADO A SECCIÓN PLENA n= 0. 48 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales ELEMENTOS HIDRÁULICOS GRÁFICO B-9 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 49 ANEXO C NOMOGRAMAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO DE ENTRADAS MEJORADAS Fuente: Ref. (22) . 50 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales . ARISTAS ACHAFLANADAS O BISELADAS NOMOGRAMA C-1 .Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 51 CAJONES RECTANGULARES CON CONTROL A LA ENTRADA ALETAS A 90° . 52 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales UN SOLO CAJÓN RECTANGULAR EN ESVIAJE CON CONTROL A LA ENTRADA Y ARISTAS ACHAFLANADAS O BISELADAS NOMOGRAMA C-2 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 53 Q/NBD 3/2 CAJONES RECTANGULARES CON CONTROL A LA ENTRADA. ÁNGULO DE LAS ALETAS DE 18° A 33 7° Y 45° NOMOGRAMA C-3 . 54 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales NOMOGRAMA C-4 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 55 NOMOGRAMA C-5 . 56 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales NOMOGRAMA C-6 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 57 TUBERÍAS CIRCULARES DE CONCRETO CON CHAFLÁN CIRCULAR EN LA ENTRADA NOMOGRAMA C-7 . 58 ANEXOS Drenaje vial para ingenieros viales NOMOGRAMA C-8 . Drenaje vial para ingenieros viales ANEXOS 59 NOMOGRAMA C-9 . 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