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[Ingeniería de Drenaje – Drenaje de Carreteras] INGENIERIA CIVIL
“DRENAJE DE
CARRETERAS”
INGENIERIA DE DRENAJE – DRENAJE DE CARRETERAS 1
[Ingeniería de Drenaje – Drenaje de Carreteras] INGENIERIA CIVIL
RESUMEN
En presente informe comprende la evaluación de un kilómetro de una carretera
de su plano en planta y perfil, para realizar la ubicación de las obras de arte
planteadas en una carretera como son: contracunetas, cunetas, aliviaderos y
alcantarillas, para luego de su correcta ubicación realizar su correspondiente
diseño.
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I. INTRODUCCION
La lluvia que cae sobre la superficie de la tierra, una parte escurre inmediatamente reuniéndose
en corrientes de agua; otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno.
Cuando el agua de escurrimiento o de infiltración alcanza la carretera, si no se dispone de los
elementos necesarios para conducirla o desviarla, puede ocasionar la inundación de la calzada,
el debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrumbe de los taludes, con
graves perjuicios para el usuario de la vía y para la economía de la nación.
La remoción de las aguas superficiales, ya sea que éstas caigan directamente sobre la plataforma
de la vía o sobre las cuencas tributarias de las corrientes que debe cruzar la carretera, se logra a
través de las obras de drenaje superficial; la remoción de las aguas subterráneas, mediante los
subdrenajes.
Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una
carretera: la Topografía, la Hidrología y la Geología de la zona; variadas ramas de la ingeniería
participan en la solución del problema: la estadística, la hidráulica, el diseño estructural, etc.
Debido a las diferencias en las características topográficas, hidrológicas y geológicas, los
métodos de diseño de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las fórmulas pueden
variar mucho de un sitio a otro. Ello obliga, en este texto, a una exposición de carácter
fundamental, donde se señalen las prácticas de mayor aceptación. La función de los drenajes
superficiales de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias para el paso de aguas de
un lado a otro de la vía, y para el drenaje de las aguas que caen directamente encima de la
plataforma y de otras áreas que desagüen en ella.
En el orden enunciado, esta función es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por
las zanjas, cunetas y desagües pluviales. Una alcantarilla es un conducto que lleva agua a través
de un terraplén. Es un paso a nivel para el agua y el tráfico que pasa sobre ella. A diferencia con
la plataforma de los puentes, la parte superior de las alcantarillas, generalmente no forma parte
del pavimento de la carretera.
El drenaje transversal de la carretera se consigue mediante alcantarillas cuya
función es proporcionar un medio para que el agua superficial que escurre por cauces
naturales o artificiales de moderada importancia, en forma permanente o eventual,
pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin causar daños a ésta, riesgos al
tráfico o a la propiedad adyacente.
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I.1 OBJETIVOS
General
Realizar el drenaje superficial adecuado de 1 Km. de una carretera.
Específicos
Diseño de contracunetas
Diseño de cunetas
Diseño de alcantarillas
Diseño de aliviaderos
I.2 JUSTIFICACIÓN
El trabajo se realizó aplicando los conocimientos impartidos en clase, así
como con los conocimientos previos de mecánica de fluidos y diseño de canales.
Este trabajo se justifica ya que, uno de los mayores problemas de las carreteras
es el agua superficial (precipitaciones) y sub superficial (agua subterránea), que
disminuyen considerablemente la vida útil de estas obras de importancia para el
desarrollo, por lo que es de vital importancia, que los estudiantes de ingeniería
civil debemos estar en la capacidad de realizar el diseño del drenaje de dichas
carreteras evacuando en forma adecuada dichas aguas superficiales, mediante
metodologías adecuadas, económicas y factibles.
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II. MARCO TEORICO.
2.1) CUNETAS
Se refiere a la zanja lateral paralela al eje de la carretera o del camino
construido entre el borde de la calzada y el pie del talud. Su sección transversal
es variable según sea la sección del diseño. Siendo común la de forma triangular.
También se pueden construir de forma trapezoidal y cuadrada. La forma
triangular es preferible porque facilita su limpieza por medios mecánicos.
El área hidráulica de la cuneta debe estar en el rango 0.18 – 0.20 m2 y las
dimensiones recomendadas, según el tipo de cuneta, son las que aparecen en la
siguiente ilustración.
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2.2) ALCANTARILLAS
Se entiende por alcantarilla a una estructura de drenaje cuya luz mayor, medida paralela
al eje de la carretera, sea de hasta 6 m; Losas de luces mayores, se tratarán como
puentes en lo relativo a su cálculo hidráulico. La alcantarilla debe ser capaz de soportar
las cargas del tráfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la
construcción, etc., es decir, también debe cumplir requisitos de tipo estructural.
UBICACIÓN, ALINEACIÓN Y PENDIENTE DE LAS
ALCANTARILLAS
La adecuada elección de la ubicación, alineación y pendiente de una alcantarilla es
importante, ya que de ella depende su comportamiento hidráulico, los costos de
construcción y mantenimiento, la estabilidad hidráulica de la corriente natural y la
seguridad de la carretera.
En general, se obtendrá la mejor ubicación de una alcantarilla cuando ésta se proyecta
siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural, ya que existe un balance de
factores, tales como, la pendiente del cauce, la velocidad del agua y su capacidad de
transportar materiales en suspensión y arrastre de fondo. Cuando se cambia cualquiera
de estos factores es necesario compensar con cambios en otro de ellos. Por ejemplo, si
se acorta un canal largo, se aumenta la pendiente y como consecuencia, aumenta la
velocidad. Un aumento en la velocidad tiene como efecto secundario problemas de
erosión, que agrandan la sección hasta que las pérdidas por fricción compensan el
aumento de pendiente y reducen la velocidad hasta límites bajo aquellos que producen
erosión. En un caso como el expuesto o en general para prevenir la erosión se puede
revestir el cauce, o darle al canal una forma tal que reduzca la velocidad, debido al
aumento de la rugosidad.
Al alargar un canal corto ocurre la situación contraria. Se produce una disminución de la
pendiente y como consecuencia disminuye la velocidad. Con esto, la capacidad para
transportar materiales en suspensión se reduce y éstos se depositan. Para estos casos es
necesario tratar de mantener la velocidad original cambiando la forma del canal o
disminuyendo la rugosidad.
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2.2.1 Ubicación en Planta
Desde el punto de vista económico el reemplazo de la ubicación natural del cauce por
otra normal o casi normal al eje del camino, implica la disminución del largo del
conducto, el acondicionamiento del cauce y la construcción adicional de un canal de
entrada y/o de salida. Las distintas soluciones que podrían darse en el caso general, de
un cauce con fuerte esviaje aparecen en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Cauces con fuerte esviaje respecto del eje del camino
Caso 1: Se conserva la entrada y la salida del canal natural. Esta solución de la longitud
máxima de alcantarilla colocando la alcantarilla ligeramente a un lado del canal natural
se puede obtener por lo general una mejor función, siendo necesario desviar la corriente.
Caso 2: La entrada se la coloca en el canal natural y la salida se desplaza para tener una
alcantarilla casi normal al eje de la carretera. Como en este caso se ha alargado la línea
de flujo, esto será acosta de reducir la pendiente. Las estructuras de entrada y salida y la
alineación del canal deben hacerse a tal modo de minimizar los efectos de cambios
bruscos de dirección. Ello podría aumentar la sección de la alcantarilla comparada con
la de la solución anterior. En los efecto será necesario considerar estructuras especiales
en la entrada y salida, la construcción del canal a la salida y su mantención.
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Caso 3: Se ha desplazado la entrada de modo que la salida descargue directamente en el
canal natural. El canal de acercamiento a la alcantarilla debe tener una buena alineación
con ella para necesitar una entrada o salida especial. El tamaño del la alcantarilla puede
ser influenciado por el hecho que al aumentar la longitud de flujo debe reducirse la
pendiente. Habrá costos adicionales por construcción y mantención del canal, un posible
mayor diámetro y protección del terraplén en la entrada.
Caso 4: En este caso se ha desplazado, tanto la entrada como la salida. No se obtiene un
mejoramiento hidráulico con esta solución y solo conviene usarla cuando hay
restricciones de espacio para otras soluciones. En este caso se requieren estructuras
especiales de entrada y de salida de canales de acercamiento en los dos extremos, los
que deben considerarse en el costo, además de una posible mayor sección de la
alcantarilla debido a la disminución de la pendiente.
2.2.2 Perfil Longitudinal
La mayoría de las alcantarillas se colocan siguiendo la pendiente natural del cauce, sin
embargo, en ciertos casos puede resultar aconsejable alterar la situación existente. Estas
modificaciones de pendiente pueden usarse para disminuir la erosión en el o en los
tubos de la alcantarilla, inducir el depósito de sedimentos, mejorar las condiciones
hidráulicas, acortar las alcantarillas o reducir los requerimientos estructurales. Sin
embargo, las alteraciones de la pendiente deben ser estudiadas en forma cuidadosa de tal
modo de no producir efectos indeseables.
En la Figura 2.2 se indican los perfiles longitudinales de alcantarillas más usuales con
sus respectivas estructuras especiales de salida o de entrada.
En general, al cambiar la pendiente en cada uno de estos casos, debe tenerse especial
cuidado que el terreno de fundación de la alcantarilla no permita asentamientos,
debiendo ser terreno natural firme o relleno estructural debidamente compactado, en
caso contrario las fuerzas de corte causadas por el asentamiento de terraplenes
importantes, pueden causar el colapso total de la estructura.
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Figura 2.2 Ubicación de alcantarillas, respecto de la pendiente del cauce
2.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA
2.3.1 Forma y sección
Las formas usuales de alcantarillas son: Circulares, Cajón (rectangular), Elíptico,
Tubo – Arco, Arco y múltiples. La selección de la forma está basado en el coste de la
construcción de la alcantarilla, las limitaciones de la altura de agua río arriba, altura de
terraplén de calzada, y rendimiento hidráulico.
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Figura 5.3 Formas de la alcantarilla
La alcantarilla circular es una de las más usadas y resiste en forma satisfactoria, en la
mayoría de los casos, las cargas a que son sometidas. Existen distintos tipos de tubos
circulares que se utilizan con este propósito. El diámetro para alcantarillas de caminos
locales o de desarrollo deberá ser al menos 0,8 m, o bien 1m si la longitud de la obra
es mayor a 10 m. En las demás categorías de caminos y carreteras el diámetro mínimo
será de 1 m.
Las alcantarillas de cajón cuadradas o rectangulares pueden ser diseñadas para evacuar
grandes caudales y pueden acomodarse con cambios de altura, a distintas limitaciones
que puedan existir, tales como alturas de terraplén o alturas permisibles de agua en la
entrada. Como generalmente se construyen en el lugar deberá tomarse en cuenta, el
tiempo de construcción al compararlas con las circulares prefabricadas.
En los cauces naturales que presentan caudales de diseño importante, si la rasante es
baja respecto del fondo del cauce, se suelen ocupar alcantarillas múltiples. Sin embargo,
cuando se ensancha un canal para acomodar una batería de alcantarillas múltiples, se
tiende a producir depósito de sedimentos tanto en el canal como en la alcantarilla,
situación que deberá tenerse presente.
La capacidad hidráulica de una alcantarilla puede ser mejorada por la selección de
entrada apropiada. Debido a que el canal natural es generalmente más amplio que el
barril de alcantarilla, el borde de entrada de alcantarilla representa una contracción de
circulación y podría ser el control de circulación principal.
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3.3.2 Tipos de Entrada
Figura 2.4 Cuatro tipos de entrada usuales (esquemático)
Los distintos tipos de entrada en la circulación del flujo disminuirá gradual la pérdida de
energía y creará una condición de entrada más eficiente hidráulicamente por lo tanto,
los bordes biselados son por lo tanto más eficientes que los bordes cuadrados (Figura
2.5). Las entradas con Alas y Muro frontal reducen la contracción de circulación más
lejos (Figura 2.6). Las entrada hundidas con muro frontal y alas, incrementan la altura
eficaz sobre la sección de control de circulación (Figura 2.7), así incrementando la
eficiencia de alcantarilla más lejos.
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Figura 2.5 Contracción a la Entrada (esquemático)
Figura 2.6 Entrada con Alas y Muro Frontal Figura 2.7 Entrada con Alas y Muro
Frontal sin caída con caída
2.3.3 Materiales
Los materiales más usados para las alcantarillas son el hormigón (armado in situ o
prefabricado) y el acero corrugado. En la elección del material de la alcantarilla se
deben tomar en cuenta la durabilidad, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno,
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resistencia a la corrosión, abrasión e impermeabilidad. No es posible dar reglas
generales para la elección del material ya que depende del tipo de suelo, del agua y de la
disponibilidad de los materiales en el lugar. Sin embargo, deberá tenerse presente al
menos lo siguiente:
Según sea la categoría de la carretera se deben considerar las siguientes vidas útiles:
Autopistas > 50 años
Colectores y Locales > 30 años
Desarrollo > 10 años
Si se trata de caminos pavimentados la alcantarilla debe asegurar una impermeabilidad
que evite la saturación del terraplén adyacente, lo cual puede acarrear asentamientos del
terraplén con el consecuente daño al pavimento. Alcantarillas bajo terraplenes con altura
superior a 5 m, deberán construirse preferentemente de hormigón armado, por la
dificultad que conlleva el reemplazo.
3.-DRENAJE SUPERFICIAL
a) Finalidad del Drenaje Superficial
El drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas de la carretera, para
evitar el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y
transitabilidad.
El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de un
camino y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de la
escorrentía a lo largo de este.
El drenaje superficial comprende:
La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.
La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales o hacia la napa
freática.
La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados por la
carretera.
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b) Criterios funcionales
Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios
funcionales según se menciona a continuación:
Las soluciones técnicas disponibles
La facilidad de su obtención y así como los costos de construcción y
mantenimiento.
Los daños que se puedan producir al paso de caudales de agua correspondientes
al periodo de retorno.
Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno, y considerando
el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje se deberán cumplir las siguientes
condiciones:
En los elementos de drenaje superficial la velocidad del agua será tal que no
produzca daños por erosión ni por sedimentación.
El máximo nivel de la lámina de agua será tal que siempre se mantenga un borde
libre no menor de 0.10 m.
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Los daños materiales, a terceros, producibles por una eventual inundación de
zonas aledañas a la carretera, debida a la sobreelevación del nivel de la corriente
en un cauce, provocada por la presencia de una obra de drenaje transversal, no
deberán alcanzar la condición de catastróficos.
c) Periodo de Retorno
La selección del caudal de diseño para el cual debe proyectarse un elemento del
drenaje superficial está relacionada con la probabilidad o riesgo que ese caudal sea
excedido durante el periodo para el cual se diseña el camino. En general se aceptan
riesgos más altos cuando los daños probables que se produzcan, en caso de que discurra
un caudal mayor al de diseño, sean menores, y los riesgos aceptables deberán ser muy
pequeños cuando los daños probables sean mayores.
El riesgo o probabilidad de excedencia de una caudal en un intervalo de años
está relacionado con la frecuencia histórica de su aparición o con el periodo de retorno.
Se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 años para las
cunetas y para las alcantarillas de alivio. Para las alcantarillas de paso el periodo de
retorno aconsejable es de 50 años. Para los pontones y puentes el periodo de retorno no
será menor a 100 años. Cuando sea previsible que se produzcan daños catastróficos en
caso de que se excedan los caudales de diseño, el periodo de retorno podrá ser hasta de
500 años ó más.
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d) Beneficios
Todo análisis de las afectaciones a terceros causadas por la presencia de una
carretera deberá incluir, además de los daños, también eventuales beneficios, debidas a
la reducción de niveles de inundación en algunas zonas aguas abajo, o a otras razones.
III. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO
Ubicación de obras de arte
Utilizando el plano de un trazo de carretera en planta, se procedió a elaborar el
perfil y las secciones transversales, así como la ubicación de las obras de arte.
Procedimiento de cálculo
El diseño se realizó utilizando el software Excel para mayor facilidad y precisión
en los cálculos. Teniendo en cuenta los parámetros técnicos y la teoría actual
para el diseño de las obras de arte planteadas en este presente informe.
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IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
CONCLUSIONES:
Se realizó el diseño del drenaje longitudinal y transversal de una
carretera (1Km) diseñando las respectivas obras de arte como son:
Diseño de contracunetas.
Diseño de cunetas.
Diseño de alcantarillas.
Diseño de aliviaderos.
RECOMENDACION:
Realizar el correspondiente estudio hidrológico para realizar un optimo
trabajo. Si no se cuenta con datos de intensidades de la zona, trasladar la
información de una estación cercana o de una cuya cuenca sea parecida a
la de estudio, generando así datos aproximados para el diseño del
drenaje.
BIBLIOGRAFÍA
- Separatas de clase.
- Texto guía de la universidad nacional de san Simon-Bolivia
- Juan j. Bolinaga i. Y luis e. Franceschi
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CALCULOS
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PLANOS
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