Obras de Arte y Drenaje (Menores)

C on t en i d o

1. INTRODUCCION

2. INFORMACION DISPONIBLE

3. SISTEMA DE DRENAJE Y PROTECCION REQUERIDOS3.1 Drenaje Transversal

3.1.1 Bombeo y Peralte3.1.2 Alcantarillas3.1.3 Badenes de Piedra Emboquillada

3.2 Drenaje LongitudinalCunetas

4. OTRAS OBRAS DE ARTE Y DRENAJE PROYECTADASMuros de SostenimientoMuros de Contención

5. RESUMEN DE OBRAS ARTE Y DRENAJE PROYECTADAS

1. I n t r oduc ci ó n El presente Estudio tiene por finalidad mejorar la dotación de sistema de drenaje y obras de artes adecuados, funcionales y eficientes para el TRAMO QUILANCHA – HUARACANE compuesta por dos tramos, con meta física total de 2.695 km.

En ese contexto, el sistema de drenaje a proyectar permitirá controlar el cruce adecuado a través de la vía de la escorrentía superficial mediante estructuras de drenaje transversal y drenaje longitudinal.

Durante los trabajos de campo se efectuaron las labores de reconocimiento para identificar quebradas, cauces importantes y sus diagramas fluviales, en particular aquellos cauces que desfogan a través de la carretera existente a nivel de trocha carrozable.

2. I n f o r m ac i ó n D i s pon i b l e La información utilizada es la contenida en el Estudio de Hidrología, acápite 5 contenido en estudios básicos del presente expediente técnico.

3. S is t e ma d e D r ena j e y P r o t e c c i ó n R eque ri do s

3.1 Drenaje Transversal

3.1.1 Bombeo y PeralteEl escurrimiento hacia las cunetas laterales de la precipitación pluvial que cae directamente sobre la calzada, se efectúa mediante el bombeo en las secciones en tangente y del peralte en los tramos en curva. El diseño geométrico de la vía consideró en la superficie de rodadura valores de 2.0% para el bombeo, de 4 a 8% en peralte según radio de curvatura y en pendiente longitudinal de 0.5 a 12%.

3.1.2 Alcantarillas

.- Alcantarillas

Se ha mantenido la ubicación o progresiva de las alcantarillas existentes, que en su mayoría obedecen al control de las aguas de escorrentía superficial actual y también para conducción de las aguas con fines de riego de cultivos, pero sus dimensiones han sido cambiadas en la mayoría de los casos debido a que las existentes tienen materiales inapropiados como son piedras con losas de troncos, alcantarillas abovedadas de concreto en mal estado de conservación y tajeas de tubos de concreto de 6” y 8” también deterioradas empleadas generalmente con fines de riego.Se ha incrementado alcantarillas en quebradas y depresiones donde pueden haber empozamientos que pueden dañar la carretera y en los lugares con cambios de pendientes de acuerdo con el nuevo trazo (una en subida y la siguiente en bajada). Las pendientes consideradas en la ubicación de las nuevas alcantarillas son tales que no causen efectos erosivos en la alcantarilla,

Todas estas alcantarillas proyectadas tendrán sus respectivos parapetos.

Se adjunta el cuadro de inventario de alcantarillas donde figuran todas las alcantarillas del nuevo proyecto con los cambios propuestos.

En el recorrido de una carretera interrumpe el drenaje natural por quebradas, hondonadas, ríos y canales, requiriéndose el diseño de estructuras de eje transversal a la vía, que permitan el cruce de la plataforma para restablecer la continuidad del drenaje sin perjuicio de la misma.

El recorrido de campo permitió inventariar las alcantarillas existente y requeridas, proyectando reemplazos y construcciones nuevas en aquellos puntos del camino que ameriten; en concordancia con el estudio hidrología.

El control y la conducción del escurrimiento superficial que fluye de las cunetas y de los cauces naturales de las quebradas adyacentes, se prevé mediante un sistema de drenaje transversal formado por alcantarillas de cauce y de alivio.

La longitud de las alcantarillas depende de la ubicación longitudinal, pueden ser sesgados (aviajado) o perpendiculares al eje de vía.

Las alcantarillas proyectadas son de dos tipos alcantarilla tipo marco de concreto (MC) y alcantarillas de tubería metálica corrugada (TMC), los tipos de entrada - salida varían de Ala – Ala (AA) y Caja – Ala (CA), el cual depende de la función de alcantarilla y ubicación de la misma.

Las estructuras tipo marco de concreto son de sección rectangular formadas por tres placas de concreto ciclópeo y una placa de concreto armado como tapa o techo de la sección, se construirán en el cruce de arroyos, hondonadas, canales de riego, en la parte más profunda del cauce para evacuar el flujo de estos cursos naturales; el diseño estructural contempla las cargas según normas, así como el relleno proyectado para conservar la rasante. Las secciones hidráulicas son de1.50x1.00, 1.00x1.00, 0.60x0.60 y 0.40x0.40 m.

La alcantarilla TMC se empleará en aquellos puntos de drenaje con suelos sin presencia de agua superficial continua ni agua subterránea, para evitar riesgos de corrosión de la tubería. Funciona como alivio de cunetas, en puntos bajos del perfil y puntos de drenaje con caudales menores y generalmente pendiente longitudinal de 2 a 4%; se han proyectado con tipo de entrada caja y ala, según la localización respecto al corte o relleno en la zona, la sección hidráulica considera diámetro de 36”.

Las dimensiones de la alcantarilla a emplazar dependen del caudal de diseño determinado por el análisis hidrológico de la cuenca colaborante; sin embargo, se ha considerado dimensiones mínimas para facilitar la operación y mantenimiento de las alcantarillas durante su vida útil. En el caso de TMC el diámetro mínimo será de 36” y en marcos de concreto armado la sección cuadrada de 0.60x0.60 m., no obstante también se han considerado tajeas de concreto de 0.40x0.40 m, cuya función es dar pase a los canales de riego.

En los extremos de la alcantarilla se coloca cabezales que eviten la erosión del cuerpo y sirvan de sostenimiento del material de derrame del talud. En la salida se colocará cabezales con alas y en la entrada, indistintamente, tipo caja receptora (buzón) o tipo alas de acuerdo a si la sección de la vía se encuentra en corte o en relleno, respectivamente.

Una alcantarilla es un tipo especial de obstrucción de la corriente fluida. Sus características de flujo son muy complicadas por estar controladas por muchas variables, que incluye la geometría interior, pendiente longitudinal, rugosidad de paredes y condiciones de la entrada y salida.

La localización adecuada de una alcantarilla de cauce implica que la corriente fluida no altere su régimen de escurrimiento en zonas adyacentes a su entrada y salida, requiriéndose que el fondo de la misma siga la pendiente longitudinal de la línea de terreno natural del cauce, a fin de evitar sedimentación o erosión en la estructura, que generaría costos considerables de conservación. La alcantarilla de alivio necesita una salida expeditiva, sin necesidad de ejecutar grandes volúmenes de encauzamientos.

Entre las consideraciones que se tuvo en cuenta para el diseño de una alcantarilla, son:

La información hidrológica, que en caso de no disponerse de caudales históricos, se utilizará el parámetro: precipitación máxima en 24 horas (mm). Delimitación de la cuenca y micro cuenca hidrográfica.Determinación de las características físicas de la cuenca: área de drenaje, perímetro de la cuenca, longitud del cauce de mayor longitud, coeficiente de compacidad, pendiente longitudinal.Cálculo del tiempo de concentración para la cuenca en análisis.Levantamiento del perfil de la quebrada y/o cauce principal, así mismo secciones transversales para cauces considerables.Referenciación en campo del nivel máximo de las aguas en el punto de drenaje.Toma de información del tipo de suelo, geomorfología y tipo de cobertura de la cuenca.Determinación del modelo de precipitación-escorrentía.Calculo del caudal máximo de diseño en cada punto de drenaje.Localización del eje de la alcantarilla (eje recto, esviado), así mismo su pendiente longitudinal.Los caudales de diseño para un período de retorno de 50 años han sido calculados por el Especialista en Hidrología y como se manifestó líneas arriba se ha optado por una sección mínima de 36” de diámetro para TMC y0.60x0.60 m de sección para las alcantarillas tipo marco.

A. Diseño hidráulicoAdemás de la información sobre las condiciones de flujo en la entrada y salida, las condiciones de borde de la entrada y la geometría de la sección transversal, el diseño de una alcantarilla requiere de datos del caudal Q que se desea conducir, la gradiente (o pendiente) disponible, que puede variar dentro de ciertos límites, así como el coeficiente de rugosidad “n” que depende del tipo de revestimiento del cuerpo de la alcantarilla.

El esquema muestra el caso más común de flujo a través de una alcantarilla que se presenta en la práctica, con sección de control en la entrada.

En el ingreso, la contracción de los filetes líquidos origina un abatimiento del perfil de la superficie libre en cuyo punto de inflexión se presenta el tirante crítico, sección de control que relaciona el tirante con el caudal de descarga y donde se presenta las características del flujo crítico.

Dimensionamiento de la SecciónPara el dimensionamiento de la sección se empleo el software de Hcanales; que aplica el principio de la conservación de la energía entre las secciones 1 y 2.

Los caudales de diseño varían de de 0.90 m3/s a 5.00 m3/s; por lo que se agrupo por parámetros según el siguiente cuadro:

B. Calculo EstructuralEl cálculo estructural se ha basado en el diseño de un puente losa convencional, considera dos tipos de carga, carga muerta debido a peso propio y al relleno sobre la losa superior en el proyecto y la sobrecarga americana HS-20 (AASHTO STANDAR).

C a rg a Mue r ta

C a rg a Vi v a

Mode l o E s t r u c t u r a l

L í nea s d e I n f l uen ci a

C. Diseño en Concreto ArmadoEl momento ultimo de diseño según la norma americana AASHTO STANDAR está dada por:

Donde:

MD : carga muerta, en el centro de luzM(HS+I) : sobrecarga incluido impacto, en el centro de luz.

El diseño en concreto armado se realizo por rotura (MRU).

La Memoria de Cálculo de Análisis y Diseño Estructural para las alcantarillas descritas se muestra en el acápite correspondiente a obras de arte y drenaje.

3.1.3 Badenes de Piedra EmboquilladaEn el camino vecinal proyecto de mejoramiento, se han proyectado badenes de piedra emboquillado, en sectores críticos, donde existen pendientes fuertes en la sección transversal adyacente, que arrastra materiales finos y bolonería.

Se plantea como solución de ingeniería la construcción de badén, debido a que la opción de una alcantarilla no se plantea como la mejor solución técnica por la existencia de gran sedimentación en el lugar. Los Badenes son estructuras hidráulicas que tiene como finalidad el pase de caudales estaciónales, sin modificar las condiciones naturales de la quebrada y a la vez permitir el libre tránsito vehicular.

Diseño HidráulicoPara el dimensionamiento del badén, se ha empleado el principio de maning por verificación de descarga:

Mode l o

3.2 Drenaje Longitudinal

Cunetas

El sistema de drenaje longitudinal de la carretera estará constituido por cunetas conformadas en terreno natural (sin revestir), y por cunetas revestidas en piedra emboquillada de sección triangular adyacentes a la calzada, a ubicarse en el borde interior de los sectores a media ladera y en ambos lados en los tramos excavados en corte cerrado.

Los canales de sección triangular captan la escorrentía superficial que cae directamente sobre la calzada y la que fluye del talud superior, para conducirla hasta la alcantarilla más próxima y de allí transversalmente hasta su disposición final en un cauce natural o a las partes bajas de la carretera.

La pendiente longitudinal de la cuneta se ha adoptado igual a la pendiente del trazo vial en el borde interior que da a la plataforma, las cunetas revestidas se localizan en tramos con pendientes iguales o mayores a 8%, en tramos de pendiente inferiores al indicado se efectuara en obra un tratamiento de cárcavas para disipar la energía cinética de la corriente del agua en zona vulnerable a erosión o socavación de plataforma de la estructura del afirmado.

Estando la zona de estudio localizado en la sierra de la región Moquegua, con altitud sobre el nivel de mar inferior a 3080 m, la sección triangular optada es para una zona lluviosa de intensidad media a baja.

Las dimensiones de pre diseño para cunetas triangulares son: Profundidad : 0.30mAncho : 0.50mTirante (80% profund.) : 0.25m

3.3 Subdrenes

En el terreno se ha observado la existencia de un bofedal y varias filtraciones de agua en los taludes de corte de la carretera por lo que se deduce que hay aguas subterráneas que pueden llegar a la plataforma de la vía o pasar por debajo de la misma y que por capilaridad pueden llegar al pavimento.

Las aguas superficiales en las filtraciones de los taludes pueden ser captadas por las cunetas, pero las subterráneas deben ser captadas por subdrenes.

Se han diseñado subdrenes de tipo francés sin tubería en el fondo pero con piedras redondeadas que puedan crear vacíos para la circulación del agua y con capas drenantes de materiales de diferente granulometría, todas envueltas con un geotextil no tejido acorde con las Especificaciones Generales del MTC. (EG-2000), con el objeto de impedir la colmatacion de los subdrenes por los finos que arrastran las filtraciones. Las Dimensiones y espesores de las diferentes capas drenantes de los subdrenes así como las especificaciones granulométricas de la gravilla se encuentran los planos.

Estos subdrenes descargarán sus aguas captadas en las alcantarillas más cercanas o fuera de la plataforma mediante tuberías de descarga transversal de PVC de 10” de diámetro.

Los subdrenes Proyectados se encuentran descritos en el Cuadro 4.3.5.

Cuadro Nº 4.3.4 Subdrenes

Progresivas

De ALado

Longitud

m.Observaciones

Longitud

Tubería

Descarga

77+700 – 77+780 Derecho 80 Descarga Transversal 10 m.

79+153 – 79+233 Derecho 80 Descarga en alc. Km. 79+233

81+685 – 81+835 Derecho 150 Descarga en alc. Km. 81+835

82+478 – 82+678 Derecho 200 Descarga en alc. Km. 82+678

82+900 – 82+960 Derecho 60 Descarga Transversal 10 m.

83+830 – 83+930 Izquierdo 100 Descarga en alc. Km. 83+930

84+440 – 84+540 Derecho 100 Descarga en alc. Km. 84+540

85+664 – 85+744 Derecho 80 Descarga en alc. Km. 85+744

85+870 – 85+970 Derecho 100 Descarga en alc. Km. 85+970

Total 950 20 m.

4. Otras Obras de Arte Proyectadas

Muros de SostenimientoEsta obra de arte se ha proyectado en sectores donde el terraplén o relleno tiene un talud considerable, que afectaría al mantenimiento del ancho uniforme de la plataforma; es por eso su denominación de sostener la estructura del afirmado en uno de los márgenes de la sección transversal de la vía.

No será posible construir la plataforma con su ancho preescrito cuando el talud de relleno cae fuera de la ladera inferior de sustentación debido a que el talud en sectores es de pendiente transversal de fuerte orografía (2 a 3).

Bajo este concepto se tiene proyectado muros secos de piedra, de alturas variables de 0.50 a2.50 m, se tiene también proyectado muros de concreto ciclópeo de f’c=140 kg/cm2 de alturas de 1.50 y 2.50 m, con diseño por gravedad verificado por volteo y deslizamiento.

Muro de ContenciónEsta obra de arte se ha proyectado para contener el talud de corte en sectores con áreas agrícolas circundantes, así como taludes vulnerables a desprendimiento menores, se plantea esta estructura para dar estabilidad y para disminuir la afectación a la propiedad privada (cultivos) por donde se desplaza el camino vecinal.

Los muros secos de contención son de piedra, de alturas de 0.50 y 1.00 m, la geometría del muro es rectangular con relación altura : base de 1:0.7.

5. Resumen de Obras de Arte y Drenaje Proyectadas

.- Conclusiones

El drenaje actual es insuficiente debido a que las obras de arte presentan deficiencias en cuanto a sus dimensiones, materiales de construcción y estado de conservación.

El drenaje ha mejorado al incrementarse las áreas hidráulicas, por haberse cambiado los materiales de construcción y por la inclusión de obras de arte nuevas.

No se ha alterado el sistema de riego existente antes de la nueva construcción.

Se demolerán todos los pontones debido al cambio de cargas sobre ellos como consecuencia de la nueva construcción a excepción del Pontón Pucara Km. 82 + 760 que es un arco de medio punto construido con albañilería de piedra canteada .

Se ha incluido subdrenes en zonas con bofedales y con filtraciones en los taludes de corte.