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drenaje
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CORREDOR VIAL INTEROCEANICO SUR
ESTUDIO DEFINITIVO DEL PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN DE LA CARRETERA DE ACCESO AL
POBLADO DE ANTAUTA
INFORME DE HIDROLOGÍA Y DRENAJE
Preparado por: Alfredo Mansen Valderrama
Lima, Agosto del 2007
Índice
1. Drenaje y Obras de Arte Menores................................................................1
1.1 Información Disponible........................................................................................2
1.2 Ubicación..............................................................................................................2
1.3 Clima de la zona del estudio.................................................................................3
1.4 Hidrología.............................................................................................................3
A Hidrología Estadística...........................................................................................3B Intensidades de Diseño - Distribución de la precipitación en el tiempo.............10C Pérdidas por Infiltración......................................................................................11D Hidrograma unitario............................................................................................11E Caudales de Diseño.............................................................................................12
1.5 Obras de Arte y Drenaje Existentes....................................................................13
1.6 Sistema de Drenaje y Protección Requeridos.....................................................14
A Drenaje Transversal............................................................................................14B Drenaje Longitudinal..........................................................................................24C Subdrenaje...........................................................................................................28D Cunetas de Coronación.......................................................................................30
1. Drenaje y Obras de Arte Menores
Las carreteras son la principal vía de transporte de personas y productos en el Perú. Las
vías de penetración unen la Costa Peruana con las regiones de la Sierra y Selva,
facilitando la salida de los productos de la Sierra y Selva hacia las ciudades que cuentan
con mayor población, ubicadas en la Costa y asimismo les permiten recibir los
productos que se producen en esta región. Por otro lado, las vías de penetración
permiten la salida por vía marítima de los productos de exportación. La carretera de
acceso a Antauta es parte de las obras complementarias del Tramo 4 de la carretera
Interoceanica Sur, carretera que une la Costa Peruana con el Brasil, pasando por la
Sierra y Selva Sur. En la actualidad la vía se encuentra como trocha carrozable, por lo
que se está llevando a cabo el estudio de factibilidad para la construcción de una via
asfaltada que permita el acceso del poblado Antauta a la carretera Interoceanica,
cumpliendo así con los objetivos de integración y desarrollo, de los pueblos adyacentes
a esta importante via, con obras económicamente viables.
En el presente Informe se ha orientado a identificar y verificar los sistemas de drenaje:
longitudinal, transversal y subdrenaje existentes en la vía. Asimismo, se describen los
criterios que justifican la ampliación de algunas estructuras y la construcción de otras
complementarias.
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. Se inspeccionó el estado actual de
las obras de arte y drenaje existentes, así mismo se formuló el inventario de alcantarillas
existentes y se planteó soluciones a las zonas críticas.
Para proyectar las obras de arte es necesario llevar a acabo un estudio hidrológico.
Debido a que no existen aforos en todos los cursos de agua que cruzan la vía, dentro del
estudio hidrológico es necesario desarrollar relaciones precipitación – escorrentía para
calcular los caudales que se usarán en el diseño de las obras de drenaje transversal.
1
Es necesario señalar que la implementación de las obras recomendadas en este Informe
tendrán el beneficio de ser construidos en el momento oportuno, minimizando en lo
posible costosas reparaciones que incluyen nueva movilización de maquinaria y equipo,
asimismo la ejecución de muchas de estas podrán ayudar a reducir los costos de
Operación y Mantenimiento si las obras son construidas en el momento oportuno.
La formulación de los planteamientos en sectores críticos fue coordinada con los
especialistas de hidrología, hidráulica, de suelos y pavimentos.
1.1 Información Disponible
La información utilizada para el presente estudio se obtuvo de las siguientes fuentes:
La información topográfica para la delimitación de cuencas se obtuvo del as
carta geográfica nacional 29-V del IGN (Instituto geográfico Nacional).
Los registros de Precipitaciones en las estaciones cercanas a la zona de
estudio se obtuvieron del Senamhi (Servicio Nacional de Meteorología e
Hidrología).
El área de topografía de Intersur proveyó la topografía a detalle para el
diseño de las obras de drenaje.
1.2 Ubicación
La zona del Proyecto se ubica entre las coordenadas geográficas 14°30´ y 14°33´ de
latitud sur y 70°30´ y 70°27´ de longitud oeste. Geográficamente se encuentra ubicado
en la provincia de Melgar departamento de Puno. Hidrográficamente se encuentra en la
cuenca del río Antauta.
La carretera de acceso proyectado hacia el poblado de Antauta tiene su punto de inicio
en el kilómetro 136 + 600 de la Carretera Azángaro - Puente INAMBARI, Provincia de
Melgar, situada en el valle bajo del río Antauta a una altitud de 4 050 m.s.n.m.
1.3 Clima de la zona del estudio
2
La temperatura varía de 18 –20º máxima a 0º mínima El clima es variado, se distinguen
dos estaciones bien marcadas una lluviosa de octubre a marzo y la otra seca e invernal
de abril a septiembre.
El Clima Frígido Húmedo, domina el piso ecológico de páramo, entre los 4000 y menos
de 5000 m.s.n.m. Se caracteriza por presentar temperaturas medias anuales menores de
8º C y precipitaciones entre 700 y un poco más de 1000 mm.
Conocidos los registros de las estaciones de Progreso y Crucero, que varían entre los
años 2000 y 2004, se ha recopilado lo siguiente:
Temperatura Mínima Media Mensual:
Con valores bajo cero: Abril-estación Progreso, Mayo-estación Crucero. Temperatura Media Mensual:
Con promedios entre 2.78 ºC y 11.08 ºC para ambas estaciones.
1.4 Hidrología
A Hidrología Estadística
En la zona del estudio, es decir, cerca de la carretera que une el tramo 4 de la Carretera
interoceánica Sur con el poblado de Antauta, existen sólo tres estaciones climatológicas
ordinarias y dos estaciones pluviométricas que proporcionan información relevante al
estudio. Se cuenta con las siguientes estaciones:
Estación Antauta:
Si bien es la estación mas cercana, por sus pocos años de registro, de tan solo 12 años,
periodo 1964-1975, no ha sido incluida en el análisis estadístico.
Estación Progreso:
Ubicada a 42.8 Km. al Sur de la zona de estudio, en el distrito de Asillo, provincia de
Azangaro. Los datos de la estación progreso se muestran en la Tabla 5.1:
Tabla 5.1 Datos de la estación Progreso.
3
Estación Crucero:
Ubicada a 30.5 km al Este de la zona de estudio, en el distrito de Crucero, provincia de
Carabaya. Los datos de la estación progreso se muestran en la Tabla 5.2:
Tabla 5.2 Datos de la estación Crucero.
Estación Macusani:
Ubicada a 29.1 km al Nor-Oeste de la zona de estudio, en el distrito de Macusani,
provincia de Carabaya. Los datos de la estación progreso se muestran en la Tabla 5.3:
Tabla 5.3 Datos de la estación Macusani.
Estación Nuñoa:
Ubicada a 42 km al Sur-Oeste de la zona de estudio, en el distrito de Asillo, provincia de
Azangaro. Los datos de la estación progreso se muestran en la Tabla 5.4:
Tabla 5.4 Datos de la estación Nuñoa.
Con los datos de precipitación máxima en 24 horas y las descargas medias mensuales
máximas se calcularon las precipitaciones cuyos periodos de retorno son 2, 5, 10, 20, 25,
50, 100 y 500 años usando las distribuciones de probabilidad Normal, Log Normal, Log
Pearson III y Valor Extremo Tipo I (Gumbel). Para tal efecto, Se definieron los datos
estadísticos xi, correspondientes a los valores de las precipitaciones máximas en 24
horas, y los datos estadísticos yi correspondientes a la forma logarítmica de los mismos
(yi = log xi)
4
Para cada uno de los datos referidos, se calculó el promedio (), la desviación estándar
() y el coeficiente de asimetría (g), de acuerdo a las siguientes relaciones.
Ecuación 5.1
Ecuación 5.2
Ecuación 5.3
Análisis de Distribución Normal
Para el análisis de la distribución normal, se definió la probabilidad de excedencia del
evento (p) como la inversa de un período de retorno (T) dado.
Ecuación 5.4
Se calculó el valor del parámetro “z” correspondiente a una probabilidad de excedencia
p calculando para tal efecto una variable intermedia w:
Ecuación 5.5
Luego el valor de “z” se calculó mediante la aproximación de Abramowitz y Stegun
(1965).
Ecuación 5.6
El valor de “z” es igual al factor de frecuencia K de una distribución normal.
Ecuación 5.7
5
Luego el valor de “x” igual a la precipitación P para un determinado período de retorno,
viene dado por la relación:
Ecuación 5.8
Análisis de Distribución Log – Normal
El ajuste estadístico Log-Normal es una extensión de la distribución normal, en la cual
los valores logarítmicos de una secuencia son considerados como normalmente
distribuidos. La función densidad de probabilidad, y todas las demás propiedades de la
distribución normal, son aplicables a esta distribución cuando los datos son del tipo yi.
Para el análisis de distribución Log-Normal, se utilizó el mismo procedimiento que el
usado en el análisis de la distribución normal, con la diferencia que el valor el valor x
calculado corresponde a un x = logxi, Luego el valor de la precipitación P para un
período de retorno dado será:
Ecuación 5.9
Análisis de Distribución Log – Pearson III
Para el análisis de la distribución Log-Pearson III, se calcularon los parámetros “w” y
“z” mediante las relaciones señaladas en el acápite 1.1. El factor de frecuencia K, fue
calculado mediante la función de aproximación de Kite (1977).
Ecuación 5.10
Donde el valor de k es igual a 1/6 del coeficiente de asimetría “g”. El valor de x = log P
viene dado por la relación:
Ecuación 5.11
Luego el valor de P es:
Ecuación 5.12
Análisis de Valores Extremos o de Gumbel
6
La precipitación P para un determinado período de retorno para la distribución Gumbel
se ha realizado mediante la relación:
Ecuación 5.13
Donde los valores de “s” y “m” representan la desviación estándar y la media de los
datos estadísticos xi.
El valor del factor de frecuencia K para cada T (periodo de retorno) fue calculado con la
Ecuación 5.14 haciendo uso de la variable reducida cuyo valor medio y desviación
estandar para diferentes cantidades de población en la muestra, se indican en
Ecuación 5.14
Tabla 5.5 Media de la variable reducida para la distribución Gumbel
Tabla 5.6 Desviación estandar de la variable reducida para la distribución Gumbel
En la Tabla 5.7, Tabla 5.8, Tabla 5.9 y Tabla 5.10 se presentan los resultados obtenidos
en cada distribución para las estaciones Progreso, Crucero, Macusani y Nuñoa
7
respectivamente. Los cálculos y los datos empleados para obtener estos valores se
encuentran en el Anexo B.
Tabla 5.7 Precipitación máxima en 24 horas utilizando la distribuciones Normal,
LogNormal, LogPearson y Gumbel. Estación Progreso.
Tabla 5.8 Precipitación maxima en 24 horas utilizando la distribuciones Normal,
LogNormal, LogPearson y Gumbel. Estación Crucero.
Tabla 5.9 Precipitación maxima en 24 horas utilizando la distribuciones Normal,
LogNormal, LogPearson y Gumbel. Estación Macusani.
8
Tabla 5.10 Precipitación maxima en 24 horas utilizando la distribuciones Normal,
LogNormal, LogPearson y Gumbel. Estación Nuñoa.
Se realizaron las pruebas de verificación de normalidad del coeficiente de simetría y de
bondad de ajuste 2 en las distribuciones Normal y Lognormal. Se escogió la
distribución de probabilidades en base al método no paramétrico de Kolmogorov –
Smirnov. Los cálculos estadísticos se pueden ver en el Anexo B. Las conclusiones a que
se llego son las siguientes:
Para la estación Progreso las distribuciones Normal, Log-Normaly Log-Person III
presentan un valor maximo de desviación identico entre ellas pero la que en la
mayoria de intervalos presenta un mejor ajuste es la distribución Normal.
En el caso de la estación Crucero la distribución que presenta un mejor ajuste es la
distribución Gumbel.
En la estación Macusani las distribuciones Log-Normaly Log-Person III presentan
un valor maximo de desviación identico entre ellas pero debido a que la
distribución Log-Pearson III considera también el sesgo (coeficiente de simetría),
Finalmente se escogió dicha distribución.
Para la estación Nuñoa la distribución que presenta un mejor ajuste es la
distribución Gumbel.
B Intensidades de Diseño - Distribución de la precipitación en el tiempo
Para hallar la distribución de la precipitación en el tiempo y por ende, las intensidades,
se empleó una distribución Tipo II del Servicio de Conservación de los Recursos
Naturales de Los Estados Unidos. Esta distribución de precipitación se utiliza en zonas
donde se presentan lluvias mas intensas de corta duración y produce las intensidades de
diseño para lluvias de hasta 24 horas de manera que dentro de las 24 horas de
simulación incorpora precipitaciones de menor duración y mayor intensidad. En las
9
simulaciones precipitación-escorrentía se ha empleado las precipitaciones de las cuatro
estaciones ponderadas por un factor de influencia, proporcional a la inversa del cuadrado
de su distancia a la zona de estudio, el calculo del factor de influencia se realizo con la
Ecuación 5.15. Usando la distribución de precipitación Tipo II se han calculado las
intensidades de diseño para duraciones de tormenta criticas desde 10 minutos hasta 60
minutos, para los periodos de retorno de 2, 10, 20, 50 y 100 años, como se muestra en la
Tabla 5.11.
Ecuación 5.15
En donde:
i= Indice de la estación en mención.
di= distancia desde la estación i hasta la zona de estudio.
ai= factor de ponderación del registro de la lluvia en la estación i con la
producida en la zona de estudio.
Tabla 5.11 Intensidad-Duración-Frecuendia para la zona de estudio.
C Pérdidas por Infiltración
Para el cálculo de las pérdidas por infiltración se empleó el método del NRCS (ex SCS).
El Número de Curva se halló en base a observaciones del tipo de suelo y cobertura
vegetal de las cuencas que entregan el caudal a cursos de agua que cruzan el tramo de
estudio. El número de curva toma en cuenta el tipo de suelo hidrológico (A, B, C o D).
10
El suelo tipo A es el más permeable y típicamente está compuesto por gravas y arenas
gruesas o arenas medianas principalmente. El suelo tipo B está compuesto por arenas
finas, arenas limosos o limos arenosos. El suelo tipo C está compuesto por arcillas y el
suelo tipo D está compuesta por arcillas expansivas de permeabilidad muy baja. En la
selección del número de curva interviene el tipo y el estado de la cobertura vegetal
(Buena cobertura, aceptable y pobre). Existen tablas para calcular el número de curva en
base al tipo de suelo y la cobertura vegetal. Para las cuencas consideradas en el área del
estudio se aproximo un número de curva equivalente a 69 considerando que los suelos
son en su mayoría limos arenosos y existe una cobertura vegetal considerable. A este
número de curva en AMC II se le aplico la correcion para tomar en cuenta la condición
humeda presente en el terreno por eventos precedentes a la tormenta de diseño para
llegar al valor de 84 en AMC III, que es el valor aplicado a todas las cuencas.
D Hidrograma unitario
Para el cálculo del hidrograma de salida se ha empleado el método de Snyder. Se ha
calculado el factor tp, en base a la topografía de las cuencas de aporte. El cálculo del
parámetro tp se muestra en el Anexo B.1. En la zona del estudio se ha empleado un
factor Cp igual a 0.6 teniendo en cuenta la naturaleza montañosa de la zona que presenta
relieves ondulados.
E Caudales de Diseño
En la mayoría de cursos de agua que pueden afectar a la carretera acceso Antauta, que
son quebradas tributarias del río Antauta no existen registros de aforo. Para calcular los
caudales de diseño se empleó el programa HEC-HMS versión 3.1.0 desarrollado por el
Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos y que es usado por agencias
federales y estatales de los Estados Unidos, empresas consultoras de dicho país y
América Latina.
En la Figura 1 se muestra el esquema de la simulación hidrológica que se ha empleado
en este estudio. El esquema del programa HEC-HMS incluye todas las cuencas que
atraviesan la carretera.
11
Figura 1 Esquema del HEC-HMS de las cuencas cuyas aguas cruzan la carretera de acceso a Antauta
El periodo de retorno utilizado en las estructuras de una carretera de tráfico intermedio o
un sistema secundario es de 10 a 50 años en los Estados Unidos (Chow et. Al., 1988),
según la importancia asignada a la carretera, aunque la tendencia es a aumentar el
periodo de retorno, sobre todo en las estructuras más importantes (Laursen, 1999).
Las evidencias encontradas nos indican que en todos aquellos puntos en los que no se ha
protegido de manera adecuada los taludes laterales, las bermas laterales o las entregas de
cunetas y subdrenes, el paso del agua ha ocasionado la erosión de las superficies por las
que discurre el agua. Por este motivo es necesario contar con obras que tengan las
dimensiones adecuadas y que puedan ser construidas y mantenidas tomando en cuenta
los recursos materiales y humanos disponibles en la zona del estudio. Sobre la base de
los criterios señalados se consideraron los siguientes períodos de retorno:
Drenaje Transversal
12
Para el caso de las alcantarillas se ha asumido un período de retorno de 25 años. Durante
la evaluación de campo se han tomado lecturas de las evidencias de niveles máximos de
flujo que serán considerados para el cálculo del caudal de diseño.
Drenaje Longitudinal
Para el caso de las cunetas, bordillos, zanjas de drenaje, cunetas de coronación y demás
se asumió un periodo de retorno de 25 años, de acuerdo a las recomendaciones de la
FHWA.
Los caudales de diseño con un periodo de retorno de 25 años se muestran en el Anexo
C.5.
1.5 Obras de Arte y Drenaje Existentes
Obras de Arte
El sector en estudio no cuenta con obras de arte menores.
Obras de Drenaje
Referente al drenaje existen alcantarillas en su mayoría de piedra acomodada, de
características rústicas, una de ellas empalma con un canal de riego existente, la misma
que se removerá y en su reemplazo se ejecutará una estructura típica de pase de riego,
las demás permiten el cruce transversal de la vía para la descarga de escorrentía
superficial que fluye por cauces naturales ubicados en el talud superior de la carretera;
las cuales se encuentran en mal estado de conservación y algunas están colapsadas.
Estos tipos de alcantarillas existentes serán reemplazadas por nuevas a fin de ajustarse a
la nueva capacidad hidráulica requerida, a la nueva sección transversal de la vía y
acondicionarse al mayor ancho de rodadura previsto.
Las cunetas están excavadas en tierra y carecen de revestimiento. Se encuentran en muy
mal estado de conservación, colmatadas y severamente deterioradas, por lo que deben
ser ejecutadas en su totalidad.
Varios sectores de la plataforma proyectada que se encuentran en relleno, cruzan
extensas zonas en topografía llana conformadas por pampas de ichu y bofedales, sin
protección de taludes que son afectados por el efecto erosivo de la escorrentía
13
superficial, requiriendo para su conservación de zanjas de drenaje y el sembrado de ichu
a ambos lados de la plataforma, sobre los taludes de relleno.
La carretera actual no cuenta con subdrenaje, zanjas de drenaje ni cunetas de
coronación. En el sector no existen defensas ribereñas que permita proteger las riberas
del río y la plataforma de la vía.
1.6 Sistema de Drenaje y Protección Requeridos
A Drenaje Transversal
Bombeo y Peralte
El 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 2.5% para el bombeo y peralte
variable entre 0.7 y 3.5%.
Pontón 4+695
En la carretera de acceso a antauta se ha visto la necesidad de colocar un
pontón de 7.5 m de luz x 1m de altura. Ubicado para el cruce de una quebrada de 9.7
km2 de área cuyo caudal pico que atraviesa la vía es de 31.5 m3 para un periodo de
retorno de 50 años.
Alcantarillas
La ejecución 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 existentes, decidir
por aquellas que deben ser reemplazadas y proyectar nuevas en aquellos puntos de la
carretera que lo ameriten.
14
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.
Las alcantarillas de cauce descargan el flujo que proviene precisamente de
los cauces naturales (quebradas, riachuelos, acequias, hondonadas, ríos) que cruzan
la plataforma. Los mayores caudales se presentan durante la época de lluvias y
llegan a la vía procedentes de cuencas interandinas ubicadas en la ladera superior.
Las alcantarillas de alivio se prevén ubicar en puntos bajos del perfil
longitudinal de la carretera y también a intervalos regulares para la recolección y
alivio de las aguas de drenaje de las cunetas.
El inventario de alcantarillas existentes se presenta en el cuadro del Anexo
E.2.
Las alcantarillas nuevas se han proyectado de dos tipos: Tubería metálica
corrugada (TMC) y marcos de concreto armado (MCA).
La alcantarilla TMC se emplearon 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
0.5 a 2%. Véase la alcantarilla TMC de 36” de diámetro en los planos T1-HIDRA-
OA-03, T1-HIDRA-OA-03A y T1-HIDRA-OA-03B, del Anexo F.2.
Las estructuras tipo marco de sección cuadrada o rectangular formadas por
cuatro placas de concreto armado unidas en forma monolítica, se colocaran en el
cruce de arroyos, hondonadas, canales de riego, en la parte más profunda del cauce
para evacuar el flujo de estos cursos naturales. Véase la alcantarilla tipo Marco de
sección 1x1m en los planos T1-HIDRA-OA-04 al T1-HIDRA-OA-09A, del anexo
F.2.
En caso requerido se utilizará alcantarillas tipo losa conformada por una
placa horizontal simplemente apoyada sobre dos estribos que trasmiten las cargas a
la cimentación. Se ubican en quebradas profundas, con cursos de agua de fuerte
15
pendiente, luces de hasta 10m y requieren de un terreno de fundación de buena
capacidad portante; trabajos a cargo del Área de Puentes y Obras de Arte.
Las dimensiones de la alcantarilla a emplazar depende 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 1x1m.
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 deberá tenerse en cuenta para el diseño de una
alcantarilla, se tiene:
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 hidrográfica
16
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, asimismo secciones
transversales
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.
Levantamiento de la sección transversal de la carretera en el punto de cruce.
Localización del eje de la alcantarilla (eje recto, esviado), así mismo su
pendiente longitudinal.
Los caudales de diseño para un período de retorno de 25 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 y 1x1m de
sección para las alcantarillas tipo marco.
Diseño hidráulico
Además 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.
17
El esquema muestra el caso común de flujo a través de una alcantarilla que 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.
ALCANTARILLA RECTANGULAR:
Caudal Unitario (q):
q= Caudal por unidad de ancho en m3/s/m
Q= Caudal de descarga en m3/s
B= Ancho de la alcantarilla en m
Tirante Crítico (Yc):
Yc= Tirante crítico en m
q= Caudal unitario en m3/s/m
g= Aceleración de la gravedad (9.81m/s2)
Velocidad Crítica (Vc):
Vc= Velocidad crítica en m/s
g= Aceleración de la gravedad (9.81m/s2)
18
Yc= Tirante crítico en m
Radio Hidráulico (R):
R= Radio hidráulico en m
Ac= Area crítica en m2
B= Ancho de la alcantarilla en m
Yc= Tirante crítico en m
P= Perímetro mojado en m
Pendiente Crítica (Sc):
Sc= Pendiente crítica en m/m
Vc= Velocidad crítica en m/s
n= Coeficiente de rugosidad de Mannig
R= Radio hidráulico en m
Para las condiciones:
So>Sc, Y<Yc se presenta flujo supercrítico.
Dimensionamiento de la Sección:
Aplicando el principio de la conservación de la energía entre las secciones 1 y 2
He= Tirante de flujo en la entrada en m
19
YcBAc *
Yc= Tirante crítico en m
Vc2/2g= Carga de velocidad crítica en m
h1-2= Perdida de carga entre secciones 1 y 2 en m
V12/2g= Carga de velocidad en la sección 1 en m
Para hallar He es necesario calcular la perdida de carga entre las secciones 1 y 2 (h 1-
2) y la velocidad en la entrada (V1).
Pérdida de carga (h1-2):
h1-2= Perdida de carga entre las secciones 1 y 2 en m
So= Pendiente del fondo de la alcantarilla
d1= Distancia entre las secciones 1 y 2 en m
Yc= Tirante crítico en m
Velocidad V1:
V1= Velocidad en la sección 1 en m/s
Q= Caudal de descarga en m3/s
Ym= Tirante en la entrada en m
T= Ancho en la entrada en m
Según resultados de investigaciones en modelos físicos la alcantarilla funcionara a
pelo libre cuando se cumpla:
En forma conservadora se considera la condición:
20
He=1.2H
ALCANTARILLA CIRCULAR:
Donde:
h : Tirante
T: Espejo de agua
D: Diámetro de alcantarilla.
: ángulos formados por dos radios que intersecan con los extremos
del espejo de agua.
Cálculo del Tirante Crítico (hc):
D= Diámetro en m.
Q= Caudal m3/s.
Cálculo de la Velocidad Crítica (Vc):
Vc= Velocidad crítica en m/s
g= Aceleración de la gravedad (9.81m/s2)
21
hc= Tirante crítico en m
Cálculo del Espejo de agua (T):
Cálculo del Radio Hidráulico (R):
R= Radio hidráulico en m
Ac= Area crítica en m2
P= Perímetro mojado en m
D= Diámetro en m
Cálculo de la Pendiente Crítica (Sc):
Sc= Pendiente crítica en m/m
Vc= Velocidad crítica en m/s
n= Coeficiente de rugosidad de Mannig
R= Radio hidráulico en m
Luego de establecer el tipo de flujo, el dimensionamiento de la alcantarilla consiste
en calcular el diámetro D:
D >= 1.20 He
Donde He, se calcula aplicando el principio de conservación de la energía.
22
He= Tirante de flujo en la entrada en m
hc= Tirante crítico en m
Vc2/2g= Carga de velocidad crítica en m
h1-2= Perdida de carga entre secciones 1 y 2 en m
V12/2g= Carga de velocidad en la sección 1 en m
Para hallar He es necesario calcular la perdida de carga entre las secciones 1 y 2 (h 1-
2) y la velocidad en la entrada (V1).
Perdida de carga (h1-2):
h1-2= Perdida de carga entre las secciones 1 y 2 en m
So= Pendiente del fondo de la alcantarilla
d1= Distancia entre las secciones 1 y 2 en m
hc= Tirante crítico en m
Velocidad V1:
V1= Velocidad en la sección 1 en m/s
Q= Caudal de descarga en m3/s
Ac= Area crítica en m2
Para la relación de alcantarillas véase el cuadro del Anexo D.2.
La Memoria de Cálculo de Análisis y Diseño Hidráulico para las alcantarillas en
quebradas se adjunta en el Anexo C.
La Memoria de Cálculo de Análisis y Diseño Estructural para las alcantarillas tipo
Marco de sección 1x1m, 1.5x1m, 2x1m se adjunta en el Anexo D.
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Pases de Riego
En el recorrido de campo se verificó la presencia de alcantarillas de piedra
acomodada que enlazan canales de regadío y cruzan la plataforma actual.
Se requiere mantener el sistema de riego existente para abastecimiento de agua
de arbustos forrajeros para la alimentación de auquénidos y ovinos; actividad ganadera
principal a la que se dedican los pobladores en la zona de puna de este sector de la vía.
Estas alcantarillas denominadas “Pases de Riego” estarán constituidas por
Marcos de 0.40m x 0.40m, con cabezales tipo caja receptora de concreto ciclópeo.
Véase plano T1-HIDRA-OA-13 del Anexo F.2.
B Drenaje Longitudinal
Cunetas
En zonas rurales el sistema de drenaje longitudinal de la carretera estará
constituido por cunetas revestidas 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.
En el recorrido de campo se constató que solamente existen cunetas
excavadas en tierra carentes de revestimiento, las mismas que se encuentran en muy
mal estado de conservación.
En el sector de carretera analizado se han proyectado cunetas triangulares
revestidas de concreto simple de calidad f’c= 175 kg/cm2. Ver plano T4-HIDRA-
OA-10.
La pendiente longitudinal de la cuneta se ha adoptado igual a la pendiente del
trazo vial, su espesor es de 0.10m. En el borde interior que da a la plataforma, el
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borde del asfalto monta sobre la cuneta a fin de facilitar el ingreso del escurrimiento
proveniente de la superficie de rodadura, evitando así la formación de fisuras o
grietas que atenten contra la funcionalidad del pavimento. En el caso de presentarse
talud deleznable, el borde exterior de la cuneta llevará una uña para evitar el ingreso
de filtraciones.
Las cunetas previstas con revestimiento de concreto simple f’c=175 kg/cm2
se ejecutaran por paños de 3m de longitud en forma intercalada, colocándose juntas
a cada 3m.
Estando el sector en estudio ubicado en la zona de sierra Sur Este del Perú, se
optará por una sección triangular que corresponde a una zona lluviosa, cuyas
dimensiones serán verificadas de acuerdo a las condiciones pluviométricas de la
zona de influencia de la carretera.
Las dimensiones de prediseño para cunetas triangulares son:
Profundidad: 0.50m
Ancho: 1.00m
Ancho al talud: 0.25m
Tirante (80% profund.) 0.40m
CUNETA TIPO C-1
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Verificación de la Capacidad de Cunetas:
Aplicando la Ecuación de Mannig se calcula la capacidad de descarga de la Cunetas.
z1 0.5
z2 2.0h(m) 0.50n 0.015
Cálculo de la capacidad de conducción de la cuneta para diferentes pendientes (So)
h (m) So Z2 Z1 Q(m3/s)
0.5 0.0050 2.0 0.5 0.270.5 0.0075 2.0 0.5 0.320.5 0.0100 2.0 0.5 0.370.5 0.0150 2.0 0.5 0.460.5 0.0200 2.0 0.5 0.530.5 0.0250 2.0 0.5 0.590.5 0.0300 2.0 0.5 0.650.5 0.0400 2.0 0.5 0.75
Los cálculos para la verificación de la capacidad hidráulica de la cuneta se
muestran en el Anexo C.4.1.
El cuadro de relación de cunetas revestidas se presenta en el Anexo E.3
Longitudinal.
Zanja de Drenaje
A(m2) 0.20
P(m) 1.34R(m) 0.15B. L. (m) 0.10
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Existe a lo largo de la vía sectores de pampas extensas sensiblemente planas, con
presencia de pantanos y bofedales, donde el diseño geométrico considera secciones en
relleno con subrasante elevada a fin de alejarse de la napa freática alta.
En estos sectores de topografía llana se plantea zanjas de drenaje en uno o en
ambos lados de la plataforma para el control de la erosión del pie del talud.
Las zanjas drenantes de sección trapezoidal interceptan el agua superficial antes
de llegar a la carretera y las conducen lateralmente por gravedad hasta la alcantarilla más
próxima para el cruce y eliminación hacia la parte baja topográfica o dren natural más
cercano.
Las dimensiones del canal excavado en tierra sin revestir, son función de las
condiciones pluviométricas de la zona y se ejecutará a una distancia entre 2m a 5m, del
pie del talud de relleno. Ver sección típica en Plano Nº T1-HIDRA-OA-10 del Anexo
F.2.
La relación de zanjas de drenaje se presenta en el cuadro adjunto en el Anexo E.3.2.
El objetivo de las zanjas de drenaje no revestidas es deprimir la napa freática en
zonas adyacentes a la plataforma para evitar la presencia de aguas de filtración a nivel de
la subrasante que podría causar el asentamiento de los taludes y consecuentemente el
deterioro gradual de la vía.
Los criterios a tener en cuenta en la localización y diseño de zanja drenante son:
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Identificación de sectores de la vía con topografía llana, almacenamiento de
agua en depresiones del terreno, zona de bofedales.
Trazo del eje a pie de talud de la plataforma, a la distancia mínima de 2m
aprox.
La cota de entrega de la zanja debe coincidir con la cota de entrada del cabezal
de la alcantarilla de cruce.
La sección típica es trapezoidal, la misma que se adaptará a las condiciones
topográficas.
En situaciones en donde la cota de entrega de las zanjas de drenaje no permita la
colocación de una alcantarilla para el cruce del agua de un lado de la carretera a la otra,
previendo que la alcantarilla quede enterrada y al otro lado no exista el desnivel para que
el agua por gravedad discurra, se plantea no colocar zanja de drenaje y en su reemplazo
la colocación de un mayor numero de alcantarillas, para asegurar un buen drenaje,
recomendando además el sembrado de champas en los taludes de la carretera dado que
esta se comportara como un dique y el agua discurrirá por el pie del talud hasta las
alcantarillas proyectadas.
C Subdrenaje
La presencia de agua a nivel de la subrasante que sustenta el paquete de
pavimento, es causal del deterioro progresivo de la carretera.
El control de las aguas subterráneas que generan el hundimiento y deformación
del pavimento en las zonas afectadas, se efectuará con elementos que permiten captar
los flujos que discurren por el subsuelo para evitar que llegue a la estructura del
pavimento.
Con el objeto de contrarrestar los efectos nocivos del agua subterránea, se prevé
ejecutar subdrenes a colocarse en una excavación en trinchera de sección 0.80x1.70m
debajo del fondo de la cuneta. Ver Plano T1-HIDRA-OA-12
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Sección Típica de Sub-Dren
Ejecutada la caja se procede a extender la manta geotextil, se coloca en el fondo
de la excavación una cama de arena de espesor 0.10m para asentar la línea de tubería
PVC-SAP de 8” de diámetro, perforado, sobre la cual va colocado el filtro drenante
hasta los niveles previstos según planos, el mismo que se cerrará mediante traslape con
costuras.
En el extremo mas bajo de la línea de subdren longitudinal se instalará una
tubería de descarga sin perforar, que cruza la plataforma y elimina los caudales
colectados.
Los criterios a tener en cuenta en la localización y diseño de un subdren son:
Identificación de sectores de la plataforma actual con presencia de agua
subterránea.
Ejecución de calicatas y toma de muestras para la clasificación del suelo,
ubicación del nivel freático, estimación de la conductividad hidráulica.
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Evaluación de resultados y confirmación de las característica geotécnicas de mal
drenaje.
Determinación del ámbito de protección de la plataforma.
Determinación de parámetros de diseño: periodo de retorno del caudal de diseño,
tasa de infiltración de la precipitación.
En el sector de carretera se ha detectado el nivel freático debajo de la plataforma a
niveles de 0.00 a -1.00m.
Se presenta una relación de sectores de subdrenaje en el Anexo E.3.3.
D Cunetas de Coronación
Se ha previsto la construcción de cunetas de coronación emplazadas a 50 m del
eje, en la parte alta de la ladera de los cerros adyacentes a la carretera.
Esta estructura de drenaje de sección trapezoidal revestida de mampostería de
piedra e=0.15 m, permite captar el escurrimiento superficial originado por las lluvias,
evitando que se origine la erosión y la desestabilización de los taludes próximos a la vía
así como derrumbes que atenten contra la operatividad de la vía.
La pendiente de la cuneta de coronación se adaptará a las condiciones
topográficas y al punto de entrega.
La evacuación de la precipitación captada y conducida por la cuneta se entregará
indistintamente a la quebrada próxima, al cabezal de una alcantarilla o a una caja
receptora. En este último caso el diseño se presenta en el plano T1-HIDRA-OA-10.
Véase la relación de cunetas de coronación en el Anexo E.3.4.
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ANEXOS
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