Hidrotecnia Vial

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNI-SEDE REGIONAL ESTELÍ

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO DE TITULACION

HIDROTECNIA VIAL

INTRODUCCION A LA HIDROTECNIA VIAL

Msc. Ing. Víctor TiradoMsc. Ing. Henry Loasiga

Managua, Noviembre del 2010

HIDROTECNIA VIAL

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1. GENERALIDADES DE HIDROTECNIA VIAL

1.1. INTRODUCCION

El riesgo de que ocurran fenómenos naturales como huracanes, tormentas fuertes aumenta día a día. La solución a este problema depende en gran medida del desarrollo de la hidrología y del monitoreo sistemáticos de estos fenómenos.

En el estudio hidrológico de una cuenca se plantea la necesidad de realizar un análisis de aquellas áreas susceptibles a inundaciones, para prevenir o mitigar el daño provocado por crecientes de gran magnitud a sectores importantes como ciudades urbanizadas, agricultura, etc.

La vulnerabilidad de una estructura de drenaje deberá determinarse mediante una combinación de factores que influyen en la descarga de las aguas escurridas después de la lluvia. La magnitud con el agua atraviesa dicha obra depende fundamentalmente del uso que tenga el terreno, el desarrollo de la misma, la deforestación o cambios bruscos en intensidades de lluvia.

En Nicaragua, se han realizado anteriormente estudios de algunas cuencas con fines diversos, desde el aprovechamiento para la producción de energía eléctrica hasta el uso de agua para el consumo humano.

Desde esta perspectiva y con el fin de ampliar un estudio puntualizado en una cuenca, se pretende realizar una revisión desde el punto de vista hidráulico e hidrológico sobre el punto de cierre y hacer un ploteo sobre las posibles zonas de inundación y también sobre el grado de socavación en las pilas del puente.

1.2. DRENAJE VIAL

En una carretera, el sistema de drenaje es el conjunto de obras que posibilita un correcto manejo de las lluvias, considerando para tal propósito, procesos de captación, conducción, y evacuación de los mismos.

Por lo tanto, uno de los aspectos más importante de la localización y diseño de carreteras es la necesidad de proveer un drenaje adecuado y económico con el objeto para la protección de la inversión realizada en una carretera, si como la salvaguarda de las vidas que la usan o vivan en sus alrededores.

El drenaje es un proceso por el cual se controla o se elimina el exceso de agua en una vía o se evita que este llegue a ella, ya sea de origen superficial o subterráneo encontrada en los derechos de vía y el área adyacentes, generalmente esta agua procede de la precipitación..

Todas las obras para controlar el agua superficial se le denomina “drenaje superficial” y se considera longitudinal y transversal, según la posición que las obras guarden con respecto al eje del camino.

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Msc. Ing. Víctor Tirado, Msc. Ing. Henry Loasiga 2

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El drenaje longitudinal tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar que lleguen al camino o permanezcan en el, causando desperfectos. De este tipo de drenaje son las cunetas, contracunetas, bordillos y canales de encauzamientos o contracunetas. Se llaman drenaje longitudinal por se sitúan mas o menos paralelos al eje del camino.

El drenaje transversal da paso expedito al agua que cruza de un lado a otro del camino, o bien la retira lo más pronto posible de la corona, como tubos, cajones, vados, sifones invertidos, puentes, alcantarillas y el bombeo de la corona.

De acuerdo con la dimensión del claro de las obras de drenaje transversal, se ha divido al drenaje en mayor y menor. El drenaje mayor requiere obras con un claro superior a 6 m. A las obras del drenaje mayor se les denomina puentes y a las del drenaje menor, alcantarillas.El que se ocupa del agua subterránea se le llama “drenaje sub superficial” o bien “sub drenaje”. La solución de los problemas de drenaje debe ser considerada como parte integral del diseño de la carretera o calle. De tal manera que en cada paso de la localización y diseño deben estar Acompañada de consideraciones relacionadas al drenaje, de forma tal que el diseño final y la construcción resulte con un drenaje óptimo y aun costo razonable.

Todos los terrenos se convierten más o menos en blandos cuando se humedecen, lo cual los hace inapropiados tanto para superficies de rodamiento como para su subrasante. El agua debe ser eliminada o interceptada tan pronto como sea posible, ya que esta sobre la superficie de la vía interrumpe el tráfico.

El exceso de agua en los suelos o en la estructura de una carretera, afecta sus propiedades geomecánicas, los mecanismos de trasferencia de carga, incrementos de presiones de poros, subpresiones de flujo, presiones hidrostáticas, y afecta la susceptibilidad a los cambios volumétricos. Por tal motivo, y aún cuando el agua es un elemento fundamental para la vida, es también una de las causas más relevantes del deterioro prematuro de la infraestructura vial.

1.3. COMPONENTES PRINCIPALES EN DRENAJE EN UN CAMINO O CARRETERA

Las partes que conforman las estructuras de drenaje superficial en una carretera están constituidas básicamente por:

Bombeo en la corona de la vía. La superficie de rodamiento generalmente tiene una pendiente para los lados, llamado “bombeo”, con el objeto de acelerar el drenaje superficial del agua procedente de las lluvias, y, a su vez, evitar que el agua penetre en la base del camino y afecte la resistencia, lo que traería como consecuencia la destrucción de la vía. Para superficies de tierra o de otro material de baja calidad, se debe usar una corona con bombeo de 2 a 2.5%; para superficies pavimentadas es suficiente un bombeo de un 1%. El bombeo de la corona para un camino de tierra depende de la clase de suelo, de la pendiente de la rasante y de la sección sea en excavación o en terraplén. Un suelo de tipo arenoso requiere de menos bombeo que uno arcilloso, por que el agua es mas rápidamente absorbida y hace paco daño; en cambio una superficie arcillosa debe ser drenada tan pronto como sea posible.

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En una rasante con pendiente se necesita menos bombeo en la corona porque el agua escurre más rápidamente. Una sección de terraplén debe tener menos bombeo que una en excavación, principalmente desde el punto de vista de la seguridad. En líneas generales, el bombeo de la corona de la vía debe ser aproximadamente del 4% y un máximo de 6 ¼ %. Un bombeo con pendiente del 6 ¼ % se considera apropiado en rasantes llanas, en rasantes con pendiente suaves se acepta un bombeo máximo del 5 ½ % y pendientes fuertes el bombeo máximo se reduce al 4%.

Hombros de la carretera. Estos se colocan al extremo de la vía de rodamiento con una inclinación que varia entre el 4 al 8% para llevar el agua hacia el terreno adyacente, los canales laterales.

Cunetas. Las cunetas son canales pequeños que corren en sentido longitudinal del camino y sirven para recoger el agua y apartarla de la explanación lo más rápidamente posible. Las cunetas constituyen un problema de drenaje y su sección hay que proyectarla correctamente, pues desempeñan un papel importante en la vida del camino y se emplean en los cortes, para evitar que el agua que cae en las zonas altas llegue a la carretera por los taludes. En los terraplenes el agua corre al pie del talud del propio terraplén.

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Las cunetas no tienen por que llevar la misma pendiente longitudinal de la carretera (figura 1.6.1), si la pendiente longitudinal de la cuneta es mayor del 2.5%, se debe revestir para evitar que la fricción del agua con la tierra (figura 1.6.2) dañe la sección transversal de la cuneta y ocasione la desaparición de esta en algunos puntos, lo que traería como consecuencia que el agua perjudique el pavimento. En la mayoría de los casos se consideran suficiente utilizar una sección transversal triangular con una profundidad de 33 cm, un ancho de 1 m y taludes, del lado de la corona de 3:1 y, del lado del corte, el que corresponda según el material que de encuentre. La longitud de la cuneta no debe ser mayor que 250 m., si sobrepasa este valor, se debe construir una obra de alivio que permita reducir esta longitud al captar y conducir el caudal de la cuneta aguas abajo, fuera del camino (figura 1.6.3)

Fig.1.6.1.- Sección de una cuneta en V muy recomendada

Fig. 1.6.2.- enchapado de la cuneta que constituye a protegerla de la erosión

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Fig. 1.6.3- Cuneta escalonada longitudinalmente para evitar erosión en el fondo cuando la pendiente del camino es fuerte.

Cuneta de intersección o contracuneta. Son zanjas construidas más arriba del comienzo del corte de la vía y que sirven para interceptar el agua que corre por partes mas elevadas de los taludes en las laderas adyacentes a la vía y prevenir erosión. Si estas zanjas no se construyen, las aguas tiene que ir a parar irremediablemente a las cunetas de las vías, lo que contribuye a su recarga excesivas. Estas zanjas deben tener la capacidad suficiente para que el agua no las rebose y baje a la vía y además, deben tener una pendiente de drenaje tal que permita que este se produzca lo más rápidamente posible. La forma de su sección transversal es generalmente trapezoidal, pero puede construirse también en forma rectangular. (figura 1.6.4). La contracuneta debe construirse solo en aquellas zonas donde el escurrimiento sea transversal al camino y provenga de una cuenca grande, de tal manera que pudiera sobrepasar la capacidad de la cuneta. Para su localización y proyecto, son importante la formación geológica, la topografía y la cobertura vegetal del terreno.

Fig. 1.6.4.- Ubicación de la cuneta interceptora

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Alcantarillas. Se consideran obras menores y consisten en conductos construidos con el fin de permitir el paso del agua procedente de pequeños ríos, arroyos, canales o cunetas, a través del terraplén de la carretera, del camino. Las alcantarillas por sus características presentan diseños típicos, los cuales pueden ser usados repetidamente ( 2 a 3 alcantarillas por kilómetro), por lo tanto estas se presentan con bastante regularidad, pues como promedio, del 10 al 15% del costo de una carretera se emplea en estas obras, cuya importancia radica en que posibilitan la continuidad de la vía.

Existen varios tipos de alcantarillas, los cuales se construyen con diferentes clases de materiales. Para claros pequeños se emplean los tubos de sección circular y de arco rebajado; los primeros pueden ser de tubos hechos de hormigón, metálicos o plásticos. Para claros de tamaño moderado se emplea el tubo de gran diámetro o el del tipo caja o cajón.

Para claros mayores se usan, generalmente, alcantarillas de cajas de pasos sencillos o múltiples aunque a veces se usan varios tubos de gran diámetro. Las alcantarillas puentes sustituyen al tipo de cajón cuando la cimentación no es erosionable y hace innecesario un piso para la alcantarilla. Existen otro tipo, las de arco, que resultan económicas cuando se construyen bajo un gran relleno (terraplén alto), donde las cargas sobre la vía son grandes. El último tipo, actualmente se sustituye por la del tubo hormigón, la que permite formar varias hiladas, de manera tal que posibilite el paso del mismo volumen de agua.

El tipo de alcantarilla de hormigón es muy usado para drenajes pequeños, existen muy variados tipos de diseños en las alcantarilladas de cajón y de claro. Pueden ser fundidos “in situ” o prefabricados.

Cuando la alcantarilla lleva una gran altura de relleno es preferible el tipo de arco, pues tipo de cajón necesita una losa de gran espesor para resistir esta carga, por la que la primera resulta más económica.

Es importante que las alcantarillas, ya sean de cajón o de arco, se construyan sobre una cimentación adecuada. Si existe un terreno blando, debe ser retirado mediante la excavación hasta encontrar la resistencia suficiente, o sustituir el material por otro que pueda compactar, para que adquiera resistencia necesaria. Los cimientos de las alcantarillas deben tener por debajo del lecho de la corriente una profundidad mínima de 0.40 m, a menos que la alcantarilla descanse sobre un lecho rocoso. La pendiente de los tubos en una alcantarilla de este tipo, debe ser igual a la superficie del terreno natural, pero nunca menor de 1% o preferiblemente del 2%. La distancia de la parte superior del tubo al nivel de la subrasante del terraplén no debe ser menor de 0.5 diámetro y nunca menor de 0.40 m

Las alcantarillas de tubo se usa mucho en los caminos y las carreteras para dar paso a pequeñas cantidades de agua; estas pueden proceder de los taludes en las laderas de los cortes (sección en excavación), o de una cuneta interceptora. (figura 1.6.5)

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Fig. 1.6.5- alcantarilla de tubos combinada con una cuneta Interceptora para controlar la erosión.

Para construir la longitud requerida de las alcantarillas de tubos, así como para proteger el terraplén de la socavación que produce la entrada y la salida del agua en dicha alcantarilla, se acostumbra construir un muro de hormigón, a la entrada y a la salida de las alcantarillas que reciben el nombre de muros de cabeceras.

Badenes. Estos se construyen en aquellos lugares de la vía urbana donde han sido indicados en el proyecto, generalmente en las intersecciones (cruces de calle) y sirven para permitir; primero, el paso del agua superficial que corre por la cuneta de la vía y que cruza la intersección de un lado a otro, y, segundo, el paso cómodo y suave de los vehículos por las intersecciones de calles que no poseen drenaje subterráneo. (figura 1.6.6). Los badenes constan de una ligera depresión de forma ovalada o circular y se construyen del mismo material de que este hecho el pavimento.

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Fig. 1.6.6.- Ubicación de un badén en el acceso a una carretera

Puentes. Son estructuras más grandes en el drenaje de una carretera (drenaje mayor), los que al atravesar grandes corrientes, motivan diseños especiales para cada caso, los claros de estas estructuras están en función del caudal máximo en correspondencia de una crecida esperada que ocurra una vez en determinado tiempo de ocurrencia. Generalmente, los caudales picos para puentes grandes se estiman utilizando datos pluviométricos que representan un periodo de retorno de 100 años, considerando razonable un periodo de 50 años para puentes pequeños (o alcantarillas grandes). Con la actual desestabilización de muchas cuencas en áreas remotas y la falta de datos de confianza, se recomienda el análisis de un periodo de retorno de 100 años para cualquier puente con un claro mayor a los 20 metros.

Vados. Son estructuras que permiten el paso del agua por encima de la corona de la vía, cuando existen corrientes pequeñas y para corrientes mayores para un periodo de retorno de 2 años, se colocan tuberías para dejar pasar el agua con un tirante de agua de unos 40 cm sobre la vía, algunos constructores se llama “puente vado”. La selección de esta estructura deberá hacerse con mucho cuidado y solamente después de considerar los factores del sitio. Del canal, del diseño técnico, de costos y estudios ambientales. En arroyos anchos secos, frecuentemente se prefiere un vado. Al mismo tiempo una alcantarilla de cajón o tubería grande puede costar menos que un vado pavimentado en una estrecha del arroyo.

La selección de una travesía (badén o vado) debe ser un lugar estable o un sitio que reducirá al mínimo su longitud y tamaño, los impactos, y los costos de construcción y mantenimiento de cualquier estructura. Los factores principales que influyen en el uso de una travesía son: uso del camino (volumen del trafico, tiempo de espera aceptable del usuario), impactos y costos de demoras, tiempo de duración del nivel alto de agua y numero de veces por año, volumen de escorrentía y rango de fluctuaciones de agua, las características del sitio y costo total de la vida de la estructura. (Figuras 1.6.7 y 1.6.8). Cuando estos tipos de estructuras esta en suelos erosivos y arcillosos serán reforzados y estabilizados por el tramo del camino con grava, zampeado, gaviones u otro tipo de revestimiento o barreras.

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Fig. 1.6.7.- Drenaje profundos (con puentes o alcantarillas)

Fig. 1.6.8- Drenajes superficiales (con vado o badén)

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En la figura 1.6.9 nuestra un vado natural de arroyo con la superficie reforzada con roca.

Fig. 1.6.9.- Vado simple: reforzado en cauce natural

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1.4. ASPECTOS SE DEBEN CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE DRENAJE

Se deben considerar variables tales como: Ubicación de los componentes, Caudal de diseño, Características de los suelos inmediatos, Impacto ambiental, Tipos de esfuerzos o cargas, Valoración de los productos ofrecidos en el mercado; Trazado y diseño del camino (dependerá de factores geomorfológicos e hidrológicos debe alterar lo menos posible la red de drenaje natural) y Arrastre de sedimentos.

El agua llega a la vía por tres vías diferentes: Por la precipitación directa; Por la crecida de los ríos y arroyos; Por la filtración a través del suelo.

Un sistema de drenaje adecuado debe disponer de los requisitos necesarios para evacuar el agua que proviene de estas vías. El estudio del drenaje superficial debe empezar conjuntamente con el estudio del trazado.

Lo ideal seria que el trazado siguiera las líneas divisorias de las cuencas, entonces el agua correría alejándose de la carretera y el único problema de drenaje se reduciría a como evacuar el agua producto de las lluvias.

Por el contrario, aquellas vías que van paralelas a las grandes corrientes son muchos menos convenientes, pues como han de cruzar todos los afluentes lo hacen precisamente en los lugares donde estos son mayores.

En resumen, al construirse un camino se modifican las condiciones del escurrimiento en las zonas que la vía atravesaría, lo cual puede causar problemas como: erosiones e inundaciones, alteraciones de las características de cuenca, modificaciones en el uso de la tierra al propiciar el desarrollo económico, propicia la acumulación de azolves aguas abajo, que al final modifica el régimen pluviométrico, el agua que se infiltra al subsuelo tiende aflorar por los taludes y la base del camino, dañando la estabilidad.

El drenaje constituye un factor determinante en la duración de la vía, por lo tanto, a la hora de hacer el proyecto hay que prestarle la debida atención. Una vez que la localización de la carretera ha sido establecida, el estudio de los problemas de drenaje se basa en:

La hidrologia, que es la ciencia que nos ayuda a calcular el escurrimiento que se ha de considerar, o sea predecir lo mas preciso posible la magnitud del caudal pico de diseño para varios intervalos de frecuencia.

El diseño hidráulico, que es la selección del tipo de drenaje que se ha de usar para evacuar el agua producto del escurrimiento, o sea diseñar aquellas estructuras hidráulicas para su conducción.

En la mayoría de los casos, el problema de drenaje se reduce a evacuar grandes cantidades de agua producto de las lluvias. Al construir una carretera, se destruyen las formas de drenaje establecidas en el terreno por donde pasa la vía.

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Los cortes y terraplenes interceptan el agua, que anteriormente se movía sobre la tierra en cierta y determinada forma debido a la pendiente del terreno, o sea cuando se construye un camino, casi siempre se corta el escurrimiento natural, permitiéndose el paso del agua solo en los sitios que elige el proyectista, quien de esta manera aleja el agua del camino lo mas pronto posible.

El estudio del drenaje debe iniciarse con la elección de ruta:

Eligiéndose una zona que tenga menos problemas de escurrimiento. De ser posible, se utilizaran las pendientes máximas permisibles y se tratara de llegar y aprovechar los parteaguas, en donde el drenaje será mínimo.

Cuando los caminos se localizan en las laderas de las serranías el drenaje aumenta, aunque las cuencas y los cauces están generalmente bien definidos, al contrario de los terrenos planos, donde se pueden tener los mayores problemas de drenaje porque a menudo ni las cuencas ni los cauces están bien definidos.

Reconocimiento aéreo para elección de ruta con fotografías áreas en escala de 1:25000, que están disponibles en los diferentes organismos del gobierno, con el objeto de realizar foto-interpretaciones (prioridades de las vías terrestres de acuerdo con los estudios geográficos-físicos, económico-sociales y políticos).

El estudio detallado del drenaje se lleva acabo durante las etapas del anteproyecto o del proyecto definitivo. Los defectos de una mala elección de ruta se reflejan tanto en estas etapas como después, en la construcción y la operación del camino.

Debe evitarse también que los cortes, formados por materiales de mala calidad, se saturen de agua con peligro de derrumbes o deslizamientos según el tipo de material del corte, y debe evitarse además, que el agua subterránea reblandezca la subrasante.

Cuando el camino debe de seguir el curso de una corriente de agua, las tercerías deben de quedar a una altura conveniente sobre el nivel de las aguas máximas del río, ya sea que se admita o no que el agua llegue hasta mojar las terracerias.

Si la vía se encuentra en excavación (corte), el agua que cae sobre la carretera, los

taludes y las elevaciones donde se ha efectuado el corte, se recoge en las cunetas a cada lado de la vía.

Las dimensiones, pendientes y otras características de las cunetas dependen del flujo de

agua que por ellas va a pasar. Debe tenerse en cuidado con las cunetas, y evitarse que al descargar el agua no se erosione la parte del talud del terraplén de la carretera.

Al diseñar una estructura de drenaje de caminos, se debe preguntar lo siguiente: ¿Qué tamaño deberá tener un puente o una cuneta?, ¿Que diámetro necesita el tubo de una alcantarilla?

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Esta pregunta puede únicamente ser contestada, si se sabe el volumen de agua que pasara a través de una estructura. Si una estructura no puede acomodar toda la descarga, entonces el agua se fuerza ir sobre otra estructura, alrededor de ella, o se acumula. Frecuentemente esto resulta un fallo en la estructura hidráulica.

Es necesario diseñar el drenaje de manera que se limiten los daños a la propia obra, a la carretera y al entorno. Los daños e inconvenientes producidos por el agua se pueden agrupar en:

a. Riesgos para la circulación:- Deslizamientos, aumentos de la incomodidad y de la inseguridad al circular

tras otros vehículos (proyeccion de agua), interrupción de la circulación.

b. Daños a la infraestructura (explanaciones)- Asientos de los rellenos, inestabilidad de los taludes, erosiones superficiales en

los taludes, disminución de la capacidad de soporte de las explanadas.

c. Daños a la superestructura (firme)- Progresión de grietas, contaminacion de las capas granulares, erosión interna de

los materiales granulares y de algunos suelos, separación de las capas del firme, otros daños a la integridad de la firme.

d. Daños a la propia obra de drenaje y de los cauces- Erosiones y socavaciones, aterramientos.

e. Daños a terceros- Inundaciones aguas arribas de la carretera debido a su presencia.

La capacidad total para cualquier estructura deberá determinarse con base en una combinación de factores además de la descarga calculada. Estos incluyen los aumentos posibles en la descarga debido a cambios en el uso de la tierra de la cuenca, tal como desarrollo urbanístico, deforestación, o cambios en intensidades y modelos de precipitación. También deberá preverse una capacidad extra para arrastre. Tales consideraciones deberán hacerse particularmente en el diseño de alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

La descarga puede determinarse por varios métodos hidrológicos. Puede ser determinada utilizando las marcas que deja el río al haber una correntada, así como también por medio de registros históricos de correntadas, utilizando información tabulada de ríos y rachuelos específicos de la zona, si existe.

También se puede utilizar información general de la intensidad pluvial de la región, análisis regresivos de una región especifica para deternimar las corrientes en función de la cuenca y sus características, usando métodos como la formula racional junto con información generalizada de la intensidad pluvial.

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Cuando la cantidad de precipitación excede la capacidad de filtración de la tierra, ocurre usualmente un escurrimiento superficial. Después de llenar las depresiones de la superficie, este exceso corre sobre la superficie del terreno hasta encontrar un cauce definido, mediante el cual puede finalmente desembocar en el océano o un lago o laguna.

Los factores que afectan el escurrimiento del agua son los siguientes:

a. Cantidad y tipo de precipitación: la precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre, y sus mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua. Los modelos de lluvia son métodos con los cuales se aíslan los factores significativos en el proceso de precipitación y se extrapolan hasta sus extremos probables, de tal manera que se tengan una idea razonable de la máxima precipitación que puede caer en una zona dadas ciertas condiciones atmosféricas. Unos de los primeros pasos que se debe seguirse en muchos proyectos de diseño hidrológico, como el diseño del drenaje urbano, es la determinación del evento o eventos de lluvia que deben usarse. La forma más común de hacerlo es utilizar una tormenta de diseño o un evento que involucre una relación entre la Intensidad de lluvia, la Duración y la Frecuencia o periodos de retorno apropiados para la obra y el sitio. En muchos casos existen curvas estándar de Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF) disponibles para el sitio.

b. Tamaño de la cuenca: es un parámetro importante, y sus características depende de la morfología (forma, relieve, red de drenaje, etc). La forma de la cuenca es un parámetro que se relaciona con el tiempo de concentración, para que toda cuenca contribuya a la sección de la corriente en estudio (punto de cierre). Cuanto mas irregular sea la cuenca mayor será su coeficiente de compacidad, una cuenca circular posee el coeficiente mínimo, igual a uno, a mayor tendencia a las crecientes en la medida en que este número sea próximo a la unidad. Mientras que una cuenca con un factor de forma bajo esta menos sujeta a crecientes que otra del mismo tamaño pero con mayor factor de forma. Otro parámetro en estudio es la densidad de drenaje, que usualmente toma valores entre 0.5 km / km2 para cuenca con drenaje pobre hasta 3.5 km / km2 para cuencas excepcionalmente bien drenadas.

c. Declive superficial y permeabilidad de suelos y rocas: la pendiente de la cuenca es vital, pues el agua se concentra con más rapidez mientras la pendiente es mayor y la topografía permite cauces más directos. Si la permeabilidad de los suelos y rocas es alta a causa de su formación geológica (estratigrafía, facturación, etc.), el escurrimiento es menor ya que una buena parte del agua se infiltra. Son importantes su naturaleza, su color y su tipo de vegetación. Entre mas impermeable es el suelo mas rápida es la escorrentía.

d. Condiciones de saturación: En cambio, en suelos con una saturación alta o con una

cubierta de pastizales, el escurrimiento es mayor aunque lento en el último caso.

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e. Cantidad y tipo de vegetación: la cantidad de escurrimiento así como la cantidad de las estructuras de drenaje con la capacidad necesaria depende de las características de la cuenca. Un bosque o un talud de corte y relleno con una buena cobertura vegetativa tendrán relativamente poco escurrimiento. Un campo inhabitado, un área deforestada, o una superficie de camino raso tendrán un escurrimiento relativamente alto. Así el coeficiente de escorrentía del método racional aumenta con menos vegetación, más perturbación de la cuenca y más superficies impermeables.

La cantidad de escurrimiento así como la cantidad de las estructuras de drenaje con la capacidad necesaria depende de las características de la cuenca.

Un bosque o un talud de corte y relleno con una buena cobertura vegetativa tendrán relativamente poco escurrimiento.

Un campo inhabitado, un área deforestada, o una superficie de camino raso tendrán un escurrimiento relativamente alto. Así el coeficiente de escorrentía del método racional aumenta con menos vegetación, más perturbación de la cuenca y más superficies impermeables.

Una interpretación científica de estos fenómenos se puede explicar en el ciclo hidrológico, el cual es la circulación continua de humedad de la tierra. El ciclo hidrológico ilustra la distribución de agua en el ambiente, así como las fases del ciclo del agua incluyendo la precipitación, infiltración, intercepción, transpiración y vegetación. Cuando llueve, el agua es interceptada por la vegetación, infiltrada en la tierra y se escurre. La humedad en el terreno, en la vegetación y en los cuerpos de agua se transpira o evapora de nuevo a la atmósfera.

Sin la vegetación habrá más escurrimiento, mas agua llegara a los cauces y un porcentaje más alto de esa agua es de escurrimiento superficial en vez de flujo de aguas subterráneas, típicamente en corrientes de agua más rápida y asociada con mayor cantidad de agua que llega al manto acuífero.

El propósito de toda investigación hidrológica relacionada con proyectos de drenaje e infraestructura es simple: proporcionar el caudal de diseño para definir los parámetros hidráulicos óptimos. Aunque los métodos simplistas como el Método Racional son excelentes para drenajes menores, las grandes cuencas relacionadas con puentes grandes requieren un método más complejo, como el método del transito de avenidas en cauces, de acuerdo con su magnitud y costo.

En forma mínima, los estudios hidrológicos deben incluir lo siguiente:

Análisis estadísticos de registro disponibles sobre precipitación y escorrentía. Análisis de cuencas adyacentes o similares (sí fuera posible). Reconocimiento de campo de huellas de nivel máximo, características de cuencas

tales como suelos, cubierta vegetal, coeficiente de rugosidad, etc. Análisis de gabinete de pendientes de cuencas, patrones de drenaje, formas de

cuenca, etc., para lo cual deben utilizarse mapas topográficos, fotos aéreas, etc.

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Tormentas de diseño y cálculo de escurrimiento por sub-cuencas. La regulación de la crecida de flujos de sub-cuencas al puente, para determinar el

caudal pico de diseño.

Una vez que un sitio potencial reúne las características basadas en los criterios principales, o por lo menos presenta una mejor alternativa, el proceso de pre-diseño continuara hacia la siguiente fase: el objetivo, en esta etapa es el de suministrar suficiente información geotécnica, hidrológica e hidráulica para el diseño apropiado y económico de la superestructura, cimientos, accesos y estructuras de protección y encauzamiento (sí fuere necesario).

La necesidad de realizar investigaciones geotécnicas con lleva a determinar los efectos de socavación de los cimientos del puente y de erosión en los estribos, accesos y orillas del rió.

Sin las apropiadas estimaciones de profundidades de socavación, identificación de materiales erosivos, etc., es imposibles determinar la profundidad apropiada de los cimientos, identificar zonas de fallas de orillas y cambios de curso del rió, etc., todo lo cual puede llevar a la falla total de las estructuras o por lo menos a un mantenimiento costoso.

Aunque las muestras de poca profundidad y la inspección visual pueden ser suficientes para la selección inicial del sitio, la investigación geotécnica debe incluir pero no estar limitada a:

Perforaciones geotécnicas hasta profundidad de materiales consolidados o roca madre y profundidades de socavación estimada. En terreno rocoso con bolones meter las perforaciones más del doble del diámetro del canto rodado más grande.

Información de una investigación de perforaciones con respecto a la fuerza de suelo en orden o capacidad de carga (presión de apoyo) usando la prueba de penetración estándar (SPT), prueba de perforación o penetró metro de cono. Se usa esta información para determinar un cimiento adecuado.

Análisis de plasticidad y de granulometría de materiales del lecho del rió y orillas a ser utilizadas en la determinación de socavación y erosión. También materiales que pueden ser usados en la construcción de la estructura.

Análisis de muestras de perforaciones o muestras de tierra para determinar la fuerza o resistencia del suelo, características de consolidación y asentamiento, necesidades de compactación, etc.

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Hidrograma Suma en el punto 7 (punto de cierre)

65.71

-5.00

5.00

15.00

25.00

35.00

45.00

55.00

65.00

75.00

0 21 37 53 85 117 149

Tiempo (minutos)

Cau

dal

(m

3/s)

Caudal Máximo

Probable para el

Puente "Los Cabros

Para un periodo de

Retorno de 25 años en

un tiempo de 32.01

Segundos

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ANALISIS HIDROLOGICO

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2. METODOLOGÍA DE CÁLCULO DEL CAUDAL MAXIMO PROBABLE

El objetivo del estudio hidrológico es determinar el caudal que debe evacuar cada elemento del desagüe superficial, ya sea longitudinal o transversal. Este caudal se debe determinar para cada una de las cuencas por el trazo geométrico vial (desagüe transversal), así como para cada uno de las áreas hidrológicas que vierten al sistema de desagüe longitudinal (procedente del desagüe de la plataforma y de la influencia de agua hacia ella desde el desmonte o la corte). Para esta determinación se puede partir de datos de precipitaciones (lo que es adecuado en las cuencas pequeñas e inevitable siempre que no existen datos de caudales) o de caudales aforados (en las cuencas importantes).

2.1. METODOLOGIA DEL CALCULO HIDROLOGICO

El cálculo del caudal máximo probable que pueda suceder en el punto de cierre de la cuenca, es imprescindible para la toma de decisión en lo referente a la construcción de estructuras hidráulicas para determinar niveles de inundación producidos por avenidas.

El tránsito de avenida son todos los procedimientos con los cuales se pueden determinar el tiempo y la magnitud de una avenida en un punto del cauce, basándose en datos conocidos o supuestos en uno o más puntos aguas arriba del sitio de interés. Las bases de este método son las siguientes:

1. Se origina de las formulas de Saint Venant.2. No se consideran fuerzas hidrodinámicas.3. No se puede aplicar cuando hay remanso.4. No se debe aplicar cuando el agua del rió ocupa un cauce irregular.

2.2. CARACTERIZACION Y DETERMINACION DE LOS PARÁMETROS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL POR EL MÉTODO RACIONAL.

a) Ubicación del punto de Interés.

Se localiza en mapa geodésico el punto de interés sobre el cauce del rió en el que interesa conocer su caudal para fines de una construcción hidráulica, tales como: puente, caja-puente, alcantarilla, cortina hidráulica, etc. El mapa a utilizar deberá estar en escala adecuada que permita interpretar con claridad la información, de preferencia en 1:10,000 a 1:50,000, las curvas de nivel deberán ser lo menos distante posible, de preferencia a cada dos o cinco metros. Es conveniente realizar un levantamiento detallado de los cauces, no solo en el cruce con la carretea, sino también aguas arriba y aguas debajo de las futuras obras de desagüe transversal, para así poder estudiar la circulación del agua no solo en el cruce estricto con el trazado, sino en las márgenes de la carretera. Conviene determinar las pendientes con suficiente precisión.

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b) Delimitación de la cuenca.

Se delimita la cuenca estableciendo como punto de control o de cierre el que corresponde al sitio de interés de acuerdo al propósito del estudio, o sea la ubicación del puente o la alcantarilla.

c) División de la cuenca en sub-cuencas.

El tamaño de cada sub-cuenca está determinado por las limitaciones del método racional que se aplica en cuencas cuya área de aportación es menor de 500 Ha (5.0 Km2). Cada sub-cuenca tiene su punto de control o cierre.

d) Identificación del punto de control de cada sub-cuenca.

La identificación puede ser por número, una o grupo de letras o un nombre.

e) Determinación de las características hidrometeoro lógicas de cada sub-cuenca.

i. Nombre

Para identificar a cada subcuenca generalmente se toma la primera letra o las siglas del nombre del sector en el que se localiza el punto de interés de la cuenca, por ejemplo PC-1 (Puente los Cabros, correspondiente al punto de control 1)

ii. Área

El área de aportación se obtiene por lecturas directas con el planímetro en el mapa geodésico o con menor precisión dividiendo la subcuenca en figuras geométricas conocidas para su facilidad de cálculo como formulas matemáticas (rectángulos, trapecio, triángulos, etc).

iii. Longitud total del cauce (L)

La longitud se mide tomando en cuenta el cauce principal, que generalmente es el de mayor recorrido partiendo del punto más remoto hasta el punto de control.

iv. Altura máxima (Hmax)

Es la elevación máxima del punto más remoto del cauce principal donde se inicia el escurrimiento de agua.

v. Altura mínima (Hmin)

Es la elevación del punto de control de la subcuenca

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vi. Pendiente del fondo del cauce (Sc)

Es la pendiente del fondo del cauce principal

Sc=Hmax−Hmin

L

puede ser un valor estipulado, como un 3.5%.

vii.Tiempo de concentración (tc)

Se visualiza este como el tiempo de viaje de una partícula de agua desde el punto más remoto a la salida de la cuenca hidrográfica, si una intensidad de lluvia uniforme y duración ilimitada.

Se calcula aplicando el método del proyecto Hidrometeorológico Centroamericano.

t c=0.0041[ 3. 28 L

√Sc ]0.77

tc tiempo de concentración en minutosL longitud del cauce principal en metrosSc pendiente del cauce en m/m

el tiempo de concentración puede ser un valor estipulado de antemano sin calcular.

viii. Selección de la estación meteorológica

Las estaciones consideradas deben ser representativas y la serie disponible de datos debe ser suficientemente larga para permitir un ajuste estadístico, como el de Gumbel con una precisión suficiente. La selección depende de la cercanía con el proyecto y de las condiciones topográficas de su área de influencia determinada por los polígonos de Thiessen.

ix. Intensidad de precipitación (I)

El método tradicional para estimar la precipitación que se debe considerar en el diseño (la máxima correspondiente a un cierto periodo de retorno) consiste en analizar los datos disponibles en las estaciones meteorológicas próximas a la cuenca que se analiza. La intensidad de precipitación se obtiene por la lectura directa en la curva de Intensidad Duración Frecuencia (IDF) de la estación meteorológica o por la aplicación de su respectiva ecuación definida para le periodo de retorno (Tr) seleccionado para el diseño.

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- Intensidad Duración Frecuencia (IDF). En estudios para relacionar datos de lluvias con caudales, se requiere desarrollar relaciones entre intensidades de lluvias, la duración de la misma con la frecuencia de ocurrencia. Normalmente se desarrollan ecuaciones de Intensidad – Duración – Frecuencia, (IDF). Estas ecuaciones tienen la forma:

I= A

( t c+d )n ,Donde: I – es la intensidad de lluvias en mm/hora, tc – tiempo de concentración de la cuenca hidrográficas y A, d, n son coeficientes que se determinan con los datos intensidades de lluvias, proporcionados por Ineter.

Para elaborar estas ecuaciones se deben revisar todos los datos de intensidad de lluvia del Pluviógrafo de la estación a estudiar. Se identifican las máximas intensidades para duraciones de interés.

Si están registrados los caudales aforados, la precisión de su análisis resultara mayor que la del estudio de las precipitaciones. Sin embargo, es necesario disponer de un número suficiente de registros y, aun en estos casos, es necesario asegurar que se han medido los caudales máximos probables.

- Periodo de retorno. La lluvia de diseño de un sistema de aguas lluvias es un tema relativamente complejo, puesto que depende del grado de seguridad ante las inundaciones que requiera la ciudadanía, o sea el período de retorno de la misma.

Por lo tanto, el periodo de retorno es el intervalo en años, en que determinada precipitación se espera que ocurra, o bien que este evento una vez cada N años, no necesariamente significa que el evento suceda a intervalos constantes de cada N años, más bien existe 1/N de probabilidades que la crecida de N años ocurra dentro de cualquier periodo.

Tradicionalmente para elegir el período de retorno de diseño se recurre a la bibliografía de otros países adoptando criterios similares o sobre la base de experiencias, se han desarrollado algunos criterios generalizados para diseño en estructuras de drenaje. Usualmente, se selecciona el periodo de retorno y en base a la cual se fija la magnitud del evento. Por lo dicho, se comprende que el periodo de retorno que se debe considerar dependerá de: 1) la importancia de la carretera: no es igual una carretera con una circulación intensa que de servicio a una zona industrial importante que otra con escasos desplazamientos locales en un medio rustico, 2) la importancia de la obra concreta: no es lo mismo una alcantarilla que un gran puente, 3) el nivel de inversión que se considera apropiado (costo medio por kilómetro).

De los aspectos anteriores, en la práctica, el tercero suele ser el principal. Al aumentar el periodo de retorno resultan unos mayores caudales de diseño, lo que supone unas obras con mayor sección y, por lo tanto, más costosas.

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Se puede decir que el comportamiento de una lluvia cuya intensidad máxima diaria no tiene necesariamente relación con el volumen anual precipitado. Estas lluvias a su vez son comparables en cuanto a precipitaciones diarias con las que ocurren en otros países o región o cuencas adyacentes, pero a nivel de precipitaciones horarias se encuentran significativas diferencias, que corresponden precisamente a aquellas duraciones que tienen relevancia para la evacuación y drenaje de aguas lluvias urbanas.

Para el caso de los ríos que pasan por zonas urbanas los municipios proceden a zonificar las áreas sujetas a riesgo que se dividen en tres zonas:

- Zona 1, de pasada de la crecida, Tr = 5 a 10 años. Permite el escurrimiento de la crecida, no se permite la construcción, sólo agricultura, líneas eléctricas, tuberías, etc.

- Zona 2, de restricción, Tr = 50 a 100 años. Área inundable reglamentada, afectada por pequeñas profundidades y bajas velocidades de agua, que no contribuyen en forma importante al escurrimiento. Se permite uso agrícola, parques, actividades recreativas o deportivas de bajo costo de manutención, actividad comercial o industrial con áreas de carga, estacionamiento, almacenamiento y maquinaria fácil de remover o no sujeta a daños por crecidas. No se permiten artículos perecibles o tóxicos. Se permiten servicios básicos como líneas de transmisión, postes, etc. con medidas de protección.

- Zona 3, de bajo riesgo, Tr > 50 o 100 años. Área con una baja probabilidad de ocurrencia de inundación, en años excepcionales tiene pequeñas láminas y bajas velocidades de agua. Esta área se establece sólo para alertar a la población de los riesgos a que está sujeta, no necesita reglamentación. Los métodos de protección son individuales, del tipo seguros, viviendas con segundos pisos para uso en crecidas, etc.

Otros autores recomiendan:

- Según el tipo de vía, se recomiendan los siguientes períodos de retorno: Vialidad Local (avenidas y calles importancia no traspasa la zona)

2 años

Vialidad Distribuidora (distribuye o alimenta la vía arterial) 5 añosVialidad Arterial (autopistas urbanas y avenidas básicas) 10 añosVialidad Especial (acceso Inst. seguridad o Serv. Públicos vitales)

10 años

Tabla 3.2.1.- Periodos de Retornos según la vía.

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- Dependiendo del tipo de obra y la calidad de la vía, se consideran los siguientes períodos de retorno:

Alcantarillas L < 6 m.: Pasajes y otros 2 - 5 añosLocales 10 añosColectoras 25 añosArterias 50 años

Puentes y Alcantarillas L > 6 m.: Pasajes y otros 5-10 añosLocales 25-10 añosColectoras 50 añosArterias 100 años

Tabla 3.2.2- Periodos de Retorno según los puentes y alcantarillas

En todas las obras deben ser chequeados los efectos de remanso para un período de retorno de 100 años.

- El Manual de Carreteras del MOP recomienda como mínimo para las obras de drenaje en una carretera, dependiendo del tipo de obra y calidad de la carretera, los siguientes períodos de retorno:

- - Drenaje de la plataforma

vía secundariavía principal

5 - 10 años10 - 25 años.

- Alcantarillas D < 1500 mm. vía secundariavía principal

10-20 años25- 50 años

- Alcantarillas D > 1500 mm.

vía secundariavía principal

25-50 años 50-100 años.

- Puentes vía secundariavía principal

100 años 100-200 años.

Tabla 3.2.3- Periodos de Retornos según MOP.

Vía principal son autopistas, primarias (colectoras) y el resto son secundarias. Es importante notar que el concepto de período de retorno en el caso de las carreteras normalmente está asociado al concepto de falla, la cual puede ocasionar la

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destrucción de la obra al ser sobrepasado y daños económicos significativos por corte de la carretera.

Tanto para el estudio de la erosión, como para el cálculo y diseño de las estructuras de conservación de suelos e hidráulicas, es necesario el estudio de las precipitaciones máximas. El período de retorno será mayor cuanto mayor sea la importancia y la repercusión social, ecológica y económica de la obra. Así la necesidad de disponer de amplios períodos de retorno contrasta con la disponibilidad de series de datos climatológicos, por lo que se debe recurrir a estimaciones estadísticas.

OBRA PERIODO DE RETORNO (años)

Estructuras provisionales en zanja Drenaje longitudinal, cunetas, etc...Estructuras semipermanentes Terrazas de desagüePequeñas estructuras permanentesTerrazas de absorción, aliviaderosGrandes estructuras permanentes

55 - 10101015 - 202050 - 100

Tabla 3.2.4- Periodos de Retornos según la Obra de Drenaje

Elemento

Intensidad de tráfico de la carretera (veh/día)Alta

(IMD>2000)Media

(2000 >IMD>50)Baja

(IMD<50)

Pasos inferiores con dificultad de desagüe50 25

Según el criterio del proyectista

Elementos de desagüe de la plataforma y márgenes

25 10

Obras transversales de desagüe100

Comprobar que no se alteren las condiciones previas para Tr= 10 años

Tabla. Periodo de retorno mínimo, según la intensidad vehicular.

- Coeficiente de escorrentía (C)

El coeficiente de escorrentía es la proporción de la precipitación total que circula hacia el drenaje, que depende del estado inicial del suelo de la cuenca, ya que un suelo seco absorbe más agua que un suelo saturado. En general, el volumen del agua que escurre nunca es igual al que se ha precipitado.

Sin embargo, para estudios hidrológicos se asume un valor normalmente conservador pero no arbitrario, sino de una observación detallada de la naturaleza de la superficie, de los usos del suelo y de la pendiente del terreno. Los datos sobre la naturaleza de los suelos se pueden encontrar en mapas temáticos geológicos o edafológicos; los usos de la superficie están recogidos en mapas temáticos y topográficos. Para estos

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datos, es importante su fecha de edición y deben contrastarse con la información obtenida en las visitas de campo y de las fotografías aéreas disponibles.

Este parámetro depende de los parámetros de la topografía, el tipo de suelo y la cobertura vegetativa de la cuenca.

Se lee de tabla previamente preparada y publicada con base en investigaciones realizadas.

Si la cuenca no es homogénea en lo referente al uso y tipo del suelo, este coeficiente debe ser ponderado por unidad de área, o sea:

C=∑ Ci A i

∑ A i

donde: Ci - coeficiente de escorrentía de la cuenca homogéneaAi - área de la cuenca homogénea

El departamento de drenaje pluvial de la Alcaldía de Managua con base en los documentos de Normas checoslovacas para estabilización de cauces y cárcavas, esbozo de un plan maestro del drenaje pluvial subterráneo y superficial de la ciudad de Managua y observaciones de campo propone para la determinación del coeficiente de escorrentía, en dependencia de los factores: el uso del suelo, tipo de suelo y pendiente del terreno, presentado en la siguiente tabla.

x. Caudal (Q)

Se calcula por la aplicación del método racional, el cual tiene la bondad de poder utilizarse en lugares donde no se posee información para calibrarse. De acuerdo a la experiencia, método es adecuadamente utilizable en cuencas con áreas menores de 5 kilómetros cuadrados.

El concepto básico del método racional presume que el máximo caudal de escorrentía de una cuenca de drenaje ocurre cuando la cuenca entera esta contribuyendo, y que el caudal de escorrentía es igual a una proporción C de la precipitación promedio. O sea:

Q=0.2778 C I ADonde:

Q - caudal en m3/s, C - coeficiente de escorrentía (adimensional), I - Intensidad de precipitación en mm/h, A - Área de la cuenca en km2

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Uso del suelo Us

Vegetación densa, bosques, cafetal con sombras, pastos 0.04

Malezas, arbustos, solar baldío, cultivos perennes, parques, cementerios, campos deportivos

0.06

Sin vegetación o con cultivos anuales 0.10

Zonas suburbanas (viviendas , negocios) 0.20

Casco urbano y zonas industriales 0.30 – 0.50

tipo de suelo Ts

Permeable (terreno arenoso, ceniza volcánica, pómez)1.00

Semipermeable (terreno arcilloso arenoso)1.25

Impermeable (terreno arcilloso, limoso, marga)1.50

Pendiente del terreno (%)Pt

0.0 – 3.01.00

3.1 – 5.001.50

5.1 – 10.02.00

10.1 – 20.02.50

20.1 y mas3.0

C = Us * Ts * Pt

Tabla 3.2.5- Coeficiente de escorrentía.

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SUBCUENCA PC-1

0.00

45.12

90.24

45.12

0.000.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

Tiempo (min)

ca

ud

al (

m3

/s)

HIDROTECNIA VIAL

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f) Hidrograma triangular sintético.

Se genera utilizando los datos del tiempo de concentración y su caudal, llamado tiempo pico y caudal pico. Se establece el criterio que la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración de la subcuenca, que a la vez es el tiempo pico del hidrograma y luego se grafican los datos en papel milimetrado definiendo la ordenada para los valores del caudal y la abscisa para el tiempo. Se utiliza este tipo de hidrograma por la simplicidad de sus cálculos, sin embargo, la literatura hidrológica contiene diferentes métodos para generar hidrogramas sintéticos.

2.3. DETERMINACION DE LOS PARÁMETROS PARA LA APLICACIÓN DEL TRANSITO DE AVENIDA

Este método se aplica para transitar el hidrograma obtenido en el punto de control de una subcuenca, hacia el próximo punto de control sobre el cauce principal de la cuenca. El transito permite amortiguar los caudales a través del tiempo con el propósito de simular la condición del flujo en el cauce del rió.

Ecuación del tránsito:O2= C0 I2 + C1 I1 + C2 O1

Donde O2 caudal de salida al momento del transitoI2 caudal de entrada al momento del transitoO1 caudal de salida un instante antes del transitoI1 caudal de entrada un instante antes del transito

C0, C1, C2 coeficientes de rugosidad del cauce

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SUBCUENCA PC-1

0.00

45.12

90.24

45.12

0.000.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

Tiempo (min)

cau

dal

(m

3/s

)

HIDROTECNIA VIAL

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2.3.1. CALCULO DE LOS PARÁMETROS PARA EL TRANSITO

a) Velocidad de transito (Vt)

Para el primer transito es la velocidad del flujo en la primera subcuenca. Se calcula con la formula de velocidad

V= Lt c

donde V velocidad del flujoL longitud total del cauce en la subcuencatc tiempo de concentración en la subcuenca

si más de una subcuenca convergen en le punto de cual se inicia el transito, será el promedio aritmético de las velocidades del flujo en cada subcuenca.

V t=1n [V 1+V 2+. . .+V n ]

n - la cantidad de subcuenca que convergen en el punto a partir del cual se hará el transito.

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Momento

del transito

Un instante ante del

transito

HIDROTECNIA VIAL

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Para el segundo transito y los posteriores es el promedio aritmético considerando la velocidad del flujo en cada subcuenca que converge en el punto donde inicia el transito incluida la velocidad del o los tránsitos (inmediatos anterior) realizados hasta dicho punto.

V t=1x [V 1+V 2+.. .+V t (realizado )]

x - representa la cantidad de datos a sumar.

b) Longitud de transito (Lt)

Es la distancia entre dos puntos de control consecutivos, medidos sobre el cauce principal de la cuenca.

c) Tiempo de retardo (K)

Representa el desfase entre el tiempo pico del hidrograma a transitar y el tiempo pico del hidrograma transitado.

K=LtV t

K - tiempo de retardoLt - longitud del tramo del cauce principal a través del cual se hará el transito.Vt - velocidad del tránsito a realizar.

d) Tiempo del hidrograma a transitar (t)

Es el cociente que resulta al dividir como mínimo por 2 el tiempo pico del hidrograma a transitar.

Si al menos un coeficiente de rugosidad de la ecuación del tránsito es negativo, el tiempo pico se divide por 3, 4,.5... n veces hasta obtener coeficiente de rugosidad positivos.

Si después de varias subdivisiones el valor continúa negativo, significa que habrá pérdida de caudal en el transito, lo que ocurre si el tiempo de retardo (K) es mucho

menor que el tiempo pico del hidrograma a transitar, o sea: K<t pico

e) Coeficientes de rugosidad

C0=−(KX−0. 5 t )K−KX+0. 5 t

C1=(KX+0 .5 t )K−KX+0 . 5 t

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HIDROTECNIA VIAL

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C2=(K−KX−0 .5 t )K−KX+0 .5 t

donde:K - tiempo de retardo o constante de almacenamiento en minutost - tiempo del hidrograma a transitar.X - expresa la importancia relativa de las entradas y salidas del flujo al

tramo en el almacenamiento del mismo. Su valor se obtiene por el método de las Lasadas y oscila entre 0.10 y 0.30 según las características del cauce. Para cauces se utiliza el valor promedio de 0.20.

Si se encuentran disponibles hidrogramas de entrada y salida observados para un tramo del canal, pueden determinarse los valores de K y X. Suponiendo varios valores de X y utilizando valores conocidos de caudal de entrada y caudal de salida, pueden calcularse valores sucesivos del numerador y denominador para la siguiente expresión para K:

K=0. 5 Δt [ ( I j+1+ I j )−(Q j+1+Q j ) ]X ( I j+1−I j )+(1−X ) (Q j+1−Q j )

Los valores calculados de denominador y de numerador se grafican para cada intervalo de tiempo, con el numerador en la escala vertical y el denominador en la escala horizontal. Esto usualmente produce una grafica en forma de bucle. El valor de X que produzca el bucle mas parecido a una línea única se toma como el valor correcto para ese tramo, y K, de acuerdo con la ecuación anterior, es igual a la pendiente de esa línea. Como K es el tiempo requerido para que la onda de creciente incremental a traviese el tramo, su valor también puede estimarse como el tiempo de transito observado del pico de flujo a través del tramo.

Los coeficientes de rugosidad deben de cumplir:

C0 +C1 +C2 = 1

2.4. SECUENCIA LÓGICA EN LA APLICACIÓN DEL MÉTODO.

a. Tránsito del hidrograma del primero al segundo punto

El procedimiento se realiza de aguas arriba hacia aguas abajo partiendo del primer punto de control y utilizando el hidrograma triangular sintético en este punto.

Si dos o más subcuencas convergen en dicho punto, se hará una suma de hidrograma triangulares y el hidrograma resultante se transita hacia el segundo punto de control.

Una vez calculado los coeficientes de rugosidad, se procede a realizar el transito del hidrograma por medio de la ecuación del tránsito.

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HIDROTECNIA VIAL

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El transito se concluye cuando el caudal de salida (O2) alcanza el valor cero en un tiempo total acumulado que resulta de sumar consecutivamente el intervalo de tiempo (t) del hidrograma a transitar, hasta el valor del caudal antes mencionado.

El transito se realiza considerando ingresos y egresos del caudal.

Por ejemplo:

Hidrograma transitado de 1 - 2

K= 9.39 t = 5.00

C0= 0.0622 C1= 0.4373 C2= 0.5005

t

antes del transito momento del transito

min C0*I2 C1*I1 C2*O1 I1 O1 I2 O2

1 2 3 4 5 6 7 8

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5.00 2.81 0.00 0.00 0.00 0.00 45.12 2.81

10.00 5.61 19.73 1.40 45.12 2.81 90.24 26.75

15.00 2.81 39.46 13.39 90.24 26.75 45.12 55.66

20.00 0.00 19.73 27.86 45.12 55.66 0.00 47.59

25.00 0.00 0.00 23.82 0.00 47.59 0.00 23.82

30.00 0.00 0.00 11.92 0.00 23.82 0.00 11.92

35.00 0.00 0.00 5.97 0.00 11.92 0.00 5.97

40.00 0.00 0.00 2.99 0.00 5.97 0.00 2.99

45.00 0.00 0.00 1.49 0.00 2.99 0.00 1.49

49.99 0.00 0.00 0.75 0.00 1.49 0.00 0.75

54.99 0.00 0.00 0.37 0.00 0.75 0.00 0.37

59.99 0.00 0.00 0.19 0.00 0.37 0.00 0.19

64.99 0.00 0.00 0.09 0.00 0.19 0.00 0.09

69.99 0.00 0.00 0.05 0.00 0.09 0.00 0.05

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HIDROTECNIA VIAL

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b. Grafico del hidrograma transitado

Se elabora en papel milimetrado el grafico Caudal vs. Tiempo del hidrograma transitado.

0.00 5.00 10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

49.99

54.99

59.99

64.99

69.99

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

55.66

Hidrograma transitado de 1- 2

Tiempo (minutos)

Cau

dal

(m

3/s)

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HIDROTECNIA VIAL

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c. Suma de hidrograma en el segundo punto

Se suma el hidrograma transitado y el hidrograma triangular sintético de la o las subcuencas que convergen hacia el segundo punto. El hidrograma suma se obtiene colocando los tiempos de los hidrogramas a sumar en orden cronológico ascendente con su respectivo caudal. Los caudales faltantes en cada hidrograma se leen del grafico correspondiente o interpolando.

Hidrograma Suma: Transitado del 1 al 2 y Hidrograma RN-2

t Hidrograma Transitado Hidrograma de RN-2 Suma

min(m3/s) (m3/s) (m3/s)

1 2 3 4

0.00 0.00 0.00 0.00

5.00 2.819.10

11.91

10.0026.75 18.20

44.95

10.0927.29 18.37

45.66

15.0055.66 27.30

82.96

20.00 47.5936.40

83.99

20.1846.70 36.74

83.44

25.0023.82 27.98

51.80

30.00 11.9218.88

30.80

30.2811.59

18.37 29.96

35.00 5.979.78

15.75

40.00 2.990.68

3.67

40.372.88

0.00 2.88

45.00 1.49 1.49

49.99 0.75 0.75

54.99 0.37 0.37

59.99 0.19 0.19

d. Grafico del hidrograma suma en el segundo punto_______________________________________________________________________________________________________________________________________________----___


HIDROTECNIA VIAL

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Se elabora en papel milimetrado del grafico Caudal vs. Tiempo utilizando los tiempos en orden cronológico ascendente y los caudales respectivos resultantes de la suma.

0.00 5.00 10.00

10.09

15.00

20.00

20.18

25.00

30.00

30.28

35.00

40.00

40.37

45.00

49.99

54.99

59.99

-17.00

3.00

23.00

43.00

63.00

83.00

103.00

123.00

83.99

Hidrograma Suma en el punto 2

Tiempo (minutos)

Ca

ud

al

(m3

/s)

e. Transito del hidrograma suma en el segundo punto hacia al tercer punto

El hidrograma resultante de la suma en el segundo punto se transita hacia el tercer punto, y aplicando la ecuación de transito de avenida.

f. Se prosigue la secuencia lógica del método hasta finalizar los cálculos en el punto de cierre de la cuenca

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HIDROTECNIA VIAL

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Hidrograma Suma en el punto 7 (punto de cierre)

65.71

-5.00

5.00

15.00

25.00

35.00

45.00

55.00

65.00

75.00

0 21 37 53 85 117 149

Tiempo (minutos)C

au

da

l (m

3/s

)

Caudal Maximo Probalbe para el puente "Los Cabros para un periodo de retrono de 25 años en un tiempo de 32.01 segundos

Del hidrograma suma o hidrograma resultante en este punto se lee el caudal máximo que corresponde al caudal de diseño para el periodo de retorno (TR) previamente seleccionado.

Los gráficos en papel milimetrado se deben hacer en hojas separadas los hidrogramas triangular sintético, transitado y suma en la medida en que se avanza en el cálculo del caudal, con el propósito de leer los caudales faltantes en el hidrograma que se desarrollara en un determinado procedimiento.

ANÁLISIS HIDRAULICO

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HIDROTECNIA VIAL

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3. ANALISIS HIDRAULICO

3.1. INTRODUCCION

El proyecto de una alcantarilla, para un cauce exige el conocimiento del caudal en las crecientes máximas extraordinarias, en las ordinarias y en el verano, la duración de las mismas, los niveles que alcanza el río, las zonas de inundación, la dirección de la corriente en las crecientes... Todo ésta información es indispensable cuando se va a definir las características de este tipo de obra.

Las alcantarillas en lo esencial consta de un cuerpo de tubería (parte de conducción) bajo el relleno del terraplén, con obras de protección a su entrada y salida. Normalmente se construyen muros de cabeceras en la entrada, con o sin muros de defensa, y una barrera de desechos. Si es necesario, se construye en la salida un muro con estructura de disipación de energía.

3.2. FLUJO A TRAVÉS DE ALCANTARILLAS

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HIDROTECNIA VIAL

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Consisten en conductos construidos con el fin de permitir el paso del agua procedente de pequeños ríos, arroyos, canales o cunetas a través del terraplén de la carretera del camino.

Son estructuras menores, aunque pueden llegar a ser obras de cierta importancia, de acuerdo a circunstancias específicas; generalmente se utilizan como pasos a través de terraplén que posibilitan la continuidad de la vía y por lo cual quedan enterradas. También son estructuras de evacuación de las aguas de escorrentía superficial, localizadas transversalmente a la calzada de las carreteras. Los factores a tomar en cuenta para el diseño estructural son la carga generada por el terraplén y las cargas de tránsito generado por el tipo de vía o plataforma. El diseño hidráulico de una alcantarilla obedece a las condiciones de funcionamiento en obra; ésta puede trabajar parcialmente llena o a presión. Generalmente una alcantarilla se diseña para

trabajar parcialmente llena y en casos extremos a presión.

Cuando una alcantarilla trabaja a presión su cálculo se reduce a utilizar las fórmulas para el flujo de agua en tuberías a presión; cuando trabaja parcialmente llena su cálculo se reduce al flujo en canales.

3.3. PRINCIPIO DE LOCALIZACION DE ALCANTARILLAS Y ESTRUCTURAS DE ENTRADA DE ALCANTARILLA

La mayoría de las alcantarillas son instaladas en curso naturales de agua que cruzan la carretera, ya sea a ángulo recto o desviado. La línea central de la alcantarilla en la línea central de la carretera puede ser determinada por inspección de los planos o en el campo. Esta localización esta generalmente basada en la línea central del curso de agua existente o la parte mas baja de una depresión si no hay curso de agua.

El alineamiento de la alcantarilla generalmente se conforma con el alineamiento del curso natural de agua y la alcantarilla debiera, si es posible cruzar la carretera a ángulo recto en interés de la economía. Sin embargo a veces es requerido alcantarillas localizada a un ángulo con la vía.

El comportamiento hidráulico de una alcantarilla puede mejorarse siguiendo las recomendaciones siguientes:

1. Alineación de la alcantarilla

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Como regla general, el cuerpo debe seguir la alineación y el gradiente del drenaje natural, para minimizar las pérdidas de energía y la erosión. Esto puede dar como resultado una alcantarilla larga e inclinada que requerirá muros más complejos en sus extremos inicial y Terminal. Sin embargo, algunas veces es más económico colocar la alcantarilla perpendicular a la carretera con ciertos cambios aceptables en el alineamiento del canal.

El diseño del desagüe transversal debe estar coordinado con el trazado geométrico vial. En cuanto a su posición en planta y perfil, una obra transversal de desagüe debe alinearse de forma que difiera lo menos posible del cauce original.

El conducto debe tener una traza tan recta como sea posible evitando en todo caso los quiebres, que son puntos de difícil o imposible acceso en los que pueden depositarse materiales y conviene que el conducto tenga continuidad en los cambios de sección con unas transiciones suaves.

Deben recogerse datos de cada una de las vaguadas en las que se van a construir obras de cruce a fin de conocer la pendiente natural y las características de las secciones aguas arriba y aguas debajo de la obra.

A veces puede ser difícil ubicar la dirección de la alcantarilla cuando el curso natural de agua no está en una posición fija. Es estos casos se debe ejercitar el juicio para seleccionar la ubicación más deseable para la alcantarilla.

En lo respecta a la pendiente del conducto, debe estudiarse de forma que, dentro lo posible: no supere una velocidad capaz de causar erosión o daños en la superficie del propio conducto o del cauce y se cuiden los cambios de pendiente en las proximidades de la obra y no solo en esta.

Deben estudiarse con cuidados los cambios a una pendiente menor hacia aguas arriba, ya que pueden dar lugar a sedimentaciones y aterramientos, Si la pendiente, se redujera, o sea, cambio de una pendiente menor hacia aguas arriba, consecuentemente se reduce la velocidad, y el sedimento acarreado se depositara, ya sea a la entrada o dentro de la alcantarilla, reduciendo la capacidad de esta.

También deben de cuidarse una pendiente mayor hacia aguas abajo, dado que pueden originar un remonte de las erosiones, o sea, pendientes mayores que la existente redunda en velocidades mayores, esto ocasionara socavación, requiriéndose costosos dispositivos de protección.

De igual manera la pendiente de la alcantarilla generalmente debe conformar la pendiente existente del cauce. Las obras deben de ser, dentro lo posible, autolimpiables. Para ello hay que recordar que las secciones circulares es más autolimpiable que las cuadrangulares.

Cuando el esviajamiento de un cauce sea igual o menor de 5 grados es preferible hacer la estructura perpendicular a la carretera suprimiendo el esviajamiento y rectificando ligeramente el cauce y poner aleros o muros de protección para encauzar el agua.

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En aquellos casos en los que la dirección de la corriente con la normal al eje del camino forme un ángulo mayor de 5 grados, es preferible alinear la alcantarilla con el fondo del cauce aun a expensas de que resulte una obra de cruce más larga y costosa que la construida normal.

Al fin de facilitar las tareas de conservación, las dimensiones de las obras de cruce de desagüe deben ser en todo caso superiores a unos valores mínimos que dependen de la longitud de la obra. La dimensión mínima según las normas españolas se muestran en la tabla.

Tabla. Mínima dimensión de una obra de cruceLongitud de la obra (m) Diámetro mínimo (plg) Diámetro mínimo (m)

< 3 2 0.603 – 4 2 1/2 0.804-5 3 1.0

5-10 4 1.2010-15 5 1.50> 15 6 1.80

La altura minina necesaria para un conducto puede obligar a cambiar la rasante, hay que contar con unos espesores mínimos de 1 m de núcleo del relleno, 0.50 m de coronación y el espesor del firme.

En la práctica, las obras de cruce de desagüe incorrectamente diseñadas o construidas pueden presentar los inconvenientes siguientes:

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1. Capacidad insuficiente: las causas es una evaluación insuficiente de la precipitación o del periodo de retorno y su efecto es una inundación de zonas colindantes y eventual rebasamiento de la plataforma (corona), erosiones y aterramientos.

2. Velocidad insuficiente a la entrada, a la salida o en ambas: las causas es inadecuado perfil longitudinal de la obra de cruce para el caudal de diseño y los efectos es una disminución de la sección a la entrada, deposito de flotantes, arbustos y árboles, caída de la velocidad (es un efecto que se realimenta).

3. Velocidad excesiva a la salida: la causa es una combinación inadecuada del perfil longitudinal del cauce con una superficie erosionable con efectos de erosión remontante que puede afectar a la obra transversal de desagüe, al cuerpo del relleno que la rodea y, eventualmente, a la plataforma.

4. Velocidad excesiva aguas arriba de la obra de cruce: las causas es un diseño incorrecto de la zona de entrada por una combinación inadecuada del perfil longitudinal del cauce con una superficie excesivamente débil y los efectos son el aterramiento de la obra con disminución de su capacidad de desagüe.

Tabla. Velocidades para que no se produzcan erosión en los elementos del desagüe superficial Naturaleza de la superficie Máxima velocidad admisible (m/s)

Arena fina o limo (poca o ninguna arcilla) 0.2 – 0.6Arena arcillosa dura, margas duras 0.6 – 0.9Terreno parcialmente cubierto de vegetación 0.6 – 1.2Arcilla 1.2 – 2.0Grava, pizarras blandas con cubierta vegetal 1.2 – 1.5Hierba 1.2 – 1.8Conglomerado, pizarras duras, rocas blandas 1.4 – 3.0Mampostería, rocas duras 3.0 – 5.0Hormigón (de buena calidad) 4.5 – 9.0

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2. Estructuras de entrada de alcantarillas

Las estructuras de entrada diseñadas apropiadamente previenen la erosión y mejoran las características hidráulicas de la alcantarilla. Los diversos tipos de estructuras de entrada (muros de los extremos y defensas) recomendados se muestran a continuación.

También debe colocarse una barrera contra desechos (rejilla de basura) aguas arriba de la entrada de la alcantarilla para prevenir bloqueos a la entrada de la alcantarilla.

En el caso de una alcantarilla con entrada sumergida, ensanchar la entrada incrementara su capacidad del requiriendo una cabeza mas baja para una descarga dada. Tal arreglo para una alcantarilla en cajón (con tubo de concreto cuadrado o rectangular), con el área de entrada doblando el área del tubo a lo largo de una longitud de 1.2D, donde D es la altura del tubo, como se muestra en la figura.

3. Estructuras de salida de las alcantarillas

Así mismo, una estructura apropiada debe colocarse en la salida de una alcantarilla para prevenir la erosión agua debajo de la solera y pendiente del terraplén. Para pequeños caudales un muro extremo recto o en forma en U es suficiente. Para flujos moderados, un muro de defensa de salida acampanado que conecte el canal mucho mas ancho aguas abajo, reducirá la socavación del terraplén y los taludes del canal. El Angulo de acampanamiento sugerido para flujos supercríticos debe ser de un valor menor que 1 a 2, decreciendo linealmente con el número de Froude del flujo. Para flujos subcriticos puede ser de un valor mayor que 1 a 2._______________________________________________________________________________________________________________________________________________----___


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4. Socavación por debajo de las salidas de las alcantarillas

El flujo a través de la alcantarilla puede causar erosión indeseable (socavación) en la salida desprotegida, debilitando la estructura de la alcantarilla. Varios investigadores han realizado ensayos en modelos sobre la socavación aguas debajo de las estructuras de las alcantarillas y los resultados combinados sugieren las siguientes pautas de diseño.

Según Breusers y Raudkivi (1991):

La profundidad de socavación por debajo del nivel de la solera se puede determinar cómo:

y socavacion=0 .65D ( V s

V corte)1

3

Donde: Vs = velocidad del flujo en la salida y Vcorte = velocidad de corte critica de Shields

=(τ c ρ)1

2

,

La ecuación anterior puede modificarse en el caso de material este bien graduado:

y socavacion=3 .18D Fr0 .57( d50

D )0.114

σg−0 .4

, σ g=(d84

d16)1

2

.

El ancho de socavación:

Bsocavacion=7 .5D Fr23

La longitud de excavación:

Lsocavacion=15DFr23

donde D - altura de la alcantarilla, Fr - numero de Froude (0.27<Fr<2.7 y 0.22<d (mm) < 7.3

Para proteger el lecho del canal contra la socavación, se recomienda un tamaño mínimo

de piedra de: d socavacion=0 . 25 D Fr , para niveles bajos de cauce aguas abajo. Para niveles altos del cauce aguas abajo (>D/2) el tamaño de la piedra recomendada se

reduce en 0.15D

Fletcher y Grace (1974) recomendaron un revestimiento de la sección trapezoidal aguas debajo de la salida del alcantarillado extendiéndose hasta una longitud igual 5D con una pendiente del lecho de 1 a 10 seguido por un muro de cortina hasta una longitud igual D con una pendiente de 1 a 2; los taludes laterales del revestimiento trapezoidal se recomiendan 1 a 2.

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Blaisdell y Anderson (1988) hicieron un estudio amplio de socavación en salida de tuberías en voladizo y sugieren la profundidad máxima de socavación extrema Zmax por debajo del nivel del cauce aguas abajo (elevación cero) como:

para Zp/D≤1 y

Zmax

D=−0 . 75 [1−e

−0 . 6 (Frd−2 ) ]

para Zp/D>1Zmax

D=−10 . 5 [1−e−0 .35 (Frd−2 ) ]

Donde: D – diámetro de la tubería, Zp – altura de la salida de la tubería por encima

del nivel del cauce aguas abajo y

F rd=V

(gΔd 50 )1

2, donde la V – es la velocidad del

chorro en el cauce aguas abajo. (Frd>2;-2<Zp(m)<8; pendiente de la salida, 0 – 0.782).

Debe colocarse estructuras de disipación de energía comunes (delantal inclinado, cisterna, tanque de amortiguación, piscina de inmersión, etc.) si las velocidades de descarga de la alcantarilla son muy altas.

3.4. DISEÑO HIDRAULICO Y DIMENSIONES DE SECCIONES

Cuando no ha existido una alcantarilla en el lugar y cuando no hay datos respecto al gasto máximo del arroyo, ni datos de precipitacion pluvial, se puede utilizar el método empirico para calcular el área hidraulica en función del área drenada y de las características topograficas

de la cuenca a drenar. Unas de las formulas mas usadas es la Talbot: a=0 .813C4√A3

, donde a – área hidraulica (m2), A – superficie a drenar (hectáreas), C – coeficiente que vale: C = 1.00 para terrenos montañosos y escarpados, C = 0.80 para terrenos con mucho lomerios, C = 0.60 para terrenos con lomerios, C = 0.50 para terrenos muy ondulados, C = 0.40 para terrenos pocos ondulados, C = 0.30 para terrenos casi planos, C = 0.20 para terrenos planos.

Otras forma de calcular el gasto máximo de una alcantarilla debido a un aguacero intenso en

un área tributaria determinada es usando la formula de Burkli – Ziegler : Q=0. 022CIA

4√S A , donde Q – gasto de la alcantarilla (m3/s), A – área tributaras (ha), I – intensidad pluvial (cm./hora) correspondiente a un aguacero más intenso ( de 10 minutos de duración total), S – pendiente del terreno (m/km), C – coeficiente que depende de la clase de terreno que forma la cuenca o área tributaria de la alcantarilla y tiene los valores siguientes: C = 0.75 para calles pavimentadas y distritos comerciales, C = 0.30 para poblaciones con parques y calles con pavimentos asfalticos, C= 0.25 para terrenos de cultivo.

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Es recomendable que la pendiente en las alcantarillas sea la misma que la del lecho de la corriente. Si la pendiente de la alcantarilla es mayor, el extremo de la misma tiende azolvarse, y por el contrario, si la pendiente es menor que la del cauce es el extremo superior el que se obstruye.

La selección de cual tipo de alcantarilla es la mejor depende de a) del suelo de cimentación, b) de las dimensiones de la alcantarilla y requisitos de la topografía, y c) de la economía relativa de los diferentes tipos posibles y adecuados de estructura.

En suelos húmedos el tipo cajón probablemente sea el más adecuado ya que la carga se transmite en ellos verticalmente en direcciones bien definidas. Si en estos suelos se emplean tubos de barro o de concreto, ellos deben ir sobre una cama de material más resistente que el terreno. En lodazales o en arenas movedizas el tipo más adecuado es el de la lámina acanalada, o el tipo de cajón con gran área de sustentación y de preferencia hechos en tramos que no estén unidos entre sí. Por lo que se refiere a las dimensiones de la alcantarilla se puede decir que para claros de 0.60 m a 1.5 m el tipo de cajón de concreto es el más usado. Para claros de 1.5 m a 6.0 m se emplea losas de concreto reforzado sobre estribos de concreto simple o mampostería. Si el terraplén es muy alto, conviene más la bóveda de mampostería o de concreto.

La longitud de la alcantarilla depende del ancho de la corona de la carretera, de la altura del terraplén, del talud del mismo y del ángulo de esviajamiento. La mejor manera de determinar la longitud de una alcantarilla es levantando cuidadosamente el perfil del terreno según el eje de la obra y dibujarlo en un papel milimetrado. Sobre el perfil se acomoda la linea que marca la plantilla de la alcantarilla quedando así determinada la pendiente de la misma. Se dibuja la sección del camino con el espesor y taludes que le corresponden en esa estación.

El flujo dentro de una alcantarilla puede ser a superficie libre con condiciones subcriticas o supercríticas dependiendo de la longitud, rugosidad, gradiente y niveles del aguas arribas y aguas debajo de la alcantarilla. Si la cabeza o carga aguas arribas, h1, es suficientemente alta, el flujo dentro de la alcantarilla puede o no llenar el tubo, y su comportamiento hidráulico depende de la combinaciones de las perdidas por fricción y entrada de la longitud de la alcantarilla y de los efectos de remanso aguas abajo.

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Se asume que el agua que se acerca a una alcantarilla en un tiempo determinado es uniforme y continua durante el pico de la escorrentía, y que igual cantidad de agua estará dejando la alcantarilla.

El diseño hidráulico de las alcantarillas incluye lo siguiente:

1. Obtención de los datos del sitio y graficar una sección transversal de la carretera en el sitio de la alcantarilla, incluyendo el perfil del fondo del cauce.

2. Establecer las elevaciones de los invert de la alcantarilla en la entrada y salida y determinar la pendiente y longitud de la alcantarilla.

3. Determinar la profundidad del agua permisible en la entrada y la probable profundidad de agua a la salida durante la crecida de diseño.

4. Seleccionar el tipo y dimensión de la alcantarilla y las características en los extremos que acomodara el caudal de diseño bajo las condiciones establecidas.

5. Examinar las necesidades de disipadores de energía, y donde sea necesario proveer los dispositivos de protección para prevenir la erosión en el cauce.

6. Al establecer la altura de agua a la entrada permisible, el diseñador debe considerar posibles efectos dañinos que la crecida pueda causar, ya sea en el pavimento, interrupciones del tráfico e inundaciones en la vecindad.

7. El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable de la alcantarilla, la cual generalmente varía entre 0.70 m/s y 2 m/s, para evitar la sedimentación y la erosión.

8. La sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con una superficie mojada mínima conduzca el caudal máximo, o sea la sección de máxima eficiencia hidráulica.

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Al realizar el diseño de una alcantarilla, generalmente son datos el caudal Q que se desea conducir y la gradiente (o pendiente) de que se dispone, la misma que puede variar dentro de ciertos límites. También se conoce el coeficiente de rugosidad n el mismo que depende del tipo de revestimiento que se escoja.

El funcionamiento hidráulico de una alcantarilla puede corresponder a un canal, tubería, orificio o como flujo bajo compuerta.

El tránsito de la escorrentía puede ser a presión o libre. El flujo subcritico, crítico o supercrítico con régimen uniforme o variado.

Por lo tanto, según observaciones de campo y de laboratorio muestran que el flujo en alcantarilla es de dos tipos:

Flujo con control a la entrada. Control a la entrada significa que la capacidad hidráulica de la alcantarilla está controlada en la entrada por la carga de agua (HE) y la geometría de la entrada, incluyendo la forma de la alcantarilla y el área de la sección transversal y la forma de los extremos de la entrada, o sea la rugosidad, la longitud de la alcantarilla y las condiciones a la salida no influyen en la determinación de la alcantarilla.

Flujo con control a la salida. Las alcantarillas con control de salida puede funcionar con flujo llenando toda la alcantarilla o parcialmente. Si la sección completa se llena con agua en la longitud total, la alcantarilla se dice que funciona llena. La carga total o energía requerida para pasar una cantidad de agua a través de la alcantarilla funcionando llena con control a la salida esta formada de tres partes: la carga de velocidad, la pérdida en la entrada y la pérdida por fricción. Esta energía es obtenida del agua almacenada a la entrada.

Para cada tipo, se emplean diferentes factores, graficas, formulas y nomograma para la selección de alcantarillas de carretera.

La velocidad de flujo en alcantarillas, en la salida con control a la entrada puede ser estimada calculando la velocidad promedio para la sección de la alcantarilla usando la ecuación de Manning. Con control a la salida, la velocidad promedio será calculada a través de la ecuación de continuidad en la sección transversal del flujo a la salida.

Según las condiciones hidráulicas de salida puede ser con salida libre, cuando el tirante hidráulico inmediatamente aguas debajo de la alcantarilla es inferior al crítico correspondiente al caudal de diseño; si la pendiente del conducto es igual o mayor que la crítica la alcantarilla funciona con control de entrada.

Para aclarar más estos conceptos realizaremos una descripción más detallada del funcionamiento de las alcantarillas de cajón siendo válidas también para las alcantarillas circulares siempre y cuando se consideren sus factores geométricos. Los casos más comunes son con entrada libre y con entrada sumergida.

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3.4.1. TIPOS DE FLUJO A TRAVÉS DE ALCANTARILLAS.

Una alcantarilla es un tipo único de construcción y su entrada es una clase especial de contracción. Actúa como un canal abierto siempre y cuando el flujo sea parcialmente lleno. Las características de flujo son muy complicadas, debido a que este es controlado por muchas variables, incluidas la geometría de entrada, la pendiente, el tamaño, la rugosidad, las condiciones de profundidad de aproximación y de la salida, etc. Luego una adecuada determinación de flujo a través de una alcantarilla debe hacerse mediante investigaciones de laboratorio o de campo.

El tipo de flujo que ocurre en una alcantarilla depende de la energía disponible entre la entrada y la salida. La energía disponible consiste primordialmente de la energía potencial o sea la diferencia en elevación entre las cotas de la carga de agua a la entrada y a la salida, (la velocidad a la entrada donde normalmente donde sucede de un almacenamiento y frecuentemente es pequeña bajo estas condiciones, y la carga de velocidad puede considerarse cero).

El flujo que ocurre de forma natural es aquel que gastara completamente la energía disponible o sea, la energía se gasta a la entrada, en fricción, carga de velocidad y en profundidad. Al llegar el agua a la alcantarilla se sucede una retardación del flujo, si no se provee suficiente capacidad de la alcantarilla, el agua pasara encima de la vía.

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Debido a que la elevación del agua en la entrada de una alcantarilla es un factor limitante en el diseño, es necesario evaluar la relación entre elevación del agua a la entrada y el caudal, relación que depende de la manera que la alcantarilla deberá de operar.

Una alcantarilla fluirá llena cuando su salida se encuentre sumergida, o cuando no está sumergida pero la profundidad a la entrada es alta y su cuerpo es largo. De acuerdo con investigaciones en laboratorio, la entrada de una alcantarilla ordinaria no se sumergirá si la profundidad de entrada es menor que un cierto valor critico, designado mediante HE, en tanto que la salida no se encuentre sumergida. El valor de HE varia desde 1.2 a 1.5 veces la altura de la alcantarilla, según las condiciones de entrada, las características del cuerpo de la alcantarilla y la condición de aproximación.

Las investigaciones en laboratorio también indican que una alcantarilla, a menudo con un borde cuadrado en la parte superior de la entrada, no fluirá llena aun si la entrada se encuentra por debajo del nivel de aguas arriba cuando la salida no está sumergida.

En estas condiciones, el flujo que entra a la alcantarilla se contraerá hasta una profundidad menor que la altura del cuerpo de ella de manera muy similar a la contracción del flujo en la forma de un chorro por debajo de una compuerta deslizante. Este chorro de alta velocidad continuara a lo largo de toda la longitud del cuerpo, pero su velocidad se reducirá poco a poco a medida que se pierda altura por fricción.

Si la alcantarilla no es lo suficientemente larga para permitir que la expansión del flujo por debajo de la contracción suba y llene todo el cuerpo de la alcantarilla, nunca fluirá llena. Tal alcantarilla se considera hidráulicamente corta. De otra manera, es hidráulicamente larga, debido a que fluirá llena, como una tubería.

Que una alcantarilla sea hidráulicamente corta o larga no puede determinarse solo con la longitud del cuerpo. Ello depende otras características, como la pendiente, el tamaño, la geometría de entrada, el nivel de agua en el lado agua arriba, las condiciones de entrada y salida, etc. Una alcantarilla puede convertirse en hidráulicamente corta, es decir fluir parcialmente llena, aun cuando el nivel del agua en el lado aguas arriba es mayor que su valor critico.

Para esta situación, Carter, preparo unas tablas que pueden utilizarse distinguir entre una alcantarilla hidráulicamente corta y otra hidráulicamente larga.

En condiciones especiales, una alcantarilla hidráulicamente corta con entrada sumergida puede cebarse de manera automática y fluir llena. De acuerdo con las investigaciones de laboratorio hechas por Li y Patterson, esta acción de autocebado se debe a un aumento del agua hasta la parte superior de la alcantarilla causando en la mayor parte de los casos por un resalto hidráulico, el efecto de remanso de salida o una onda superficial estacionaria desarrollada dentro del cuerpo de la alcantarilla.

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HIDROTECNIA VIAL

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Figuras. Criterios para alcantarillas cuadradas o circulares hidráulicamente cortas y largas con cuerpos en concreto y entradas cuadradas, redondeadas o biseladas desde un punto desde un muro de aguas arriba vertical, con muros de aproximación o sin ellos. (U.S Geological Survey)

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HIDROTECNIA VIAL

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U.S. Geological Survey desarrollo un procedimiento detallado que puede utilizarse para el cálculo hidráulico del diseño de una alcantarilla. Para propósitos, prácticos, puede obtenerse una solución aproximada al problema por medio de las tablas en las figuras siguientes para alcantarillas cuadradas y circulares, respectivamente.

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HIDROTECNIA VIAL

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HIDROTECNIA VIAL

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Para esta evaluación, la operación de las alcantarillas puede ser dividida en clasificaciones mayores:

- Clase I : parcialmente lleno a la entrada, o sea con entrada no sumergida. y

- Clase II : flujo lleno a la entrada, o sea con entrada sumergida

3.4.1.1. ALCANTARILLAS CON ENTRADA LIBRE O NO SUMERGIDA. Este tipo de alcantarillas se emplea cuando la losa superior de esta, forma parte de la vía y para evitar que el agua perjudique el terraplén.

Una alcantarilla trabaja con entrada libre cuando la altura aguas arriba, h1 es menor que 1.5D (se utiliza 1.2D de acuerdo al MOP).

Si la entrada no queda sumergida la salida tampoco lo estará, o sea la entrada y salida serán libres.

Clase I, Tipo 1:

En esta clasificación de flujo el tirante crítico se presenta en la vecindad de la entrada de la alcantarilla. Para que se presente este tipo de flujo, debe de cumplir los siguientes requisitos:

a. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.2, o sea h1 / D ≤ 1.2.b. La pendiente de la alcantarilla debe ser menor que la pendiente critica, formando un

flujo subcrítico, Sc<So.c. La elevación aguas abajo, carga del agua a la salida, h4 debe ser menor que la

elevación de la superficie del agua en la sección critica, h4 < dc y debe ser menor o igual que el diámetro, h4 ≤ D.

d. Este caso es común para alcantarillas en terrenos con colinas o montañosos. e. El control es la profundidad crítica en la entrada, y el flujo en la alcantarilla se acelerara

de la velocidad crítica a la velocidad normal para pendiente de la alcantarilla, fluyendo parcialmente llena.

f. La velocidad en la salida se puede estimar como aproximándose a la velocidad normal.g. La profundidad crítica dc se produce a una distancia de la entrada de la alcantarilla de

1.4 dc.h. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q1=Cd Ac√2g( h1−z+V 1

2

2g−dc−hp12)

h1=dc+V c

2

2 g+hp12+hp23−SoL

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Donde: Cd - Coeficiente de gastoh1 - Profundidad en la sección de llegadadc - Profundidad criticaz - Elevación de la entrada de la alcantarilla relativa a la salidah4 - Profundidad aguas debajo de la alcantarillaAc - Área de flujo para la profundidad criticaV1 - Velocidad media en la sección de llegadahp12 - Perdidas de carga causadas por la fricción desde la sección de llegada

hasta la entrada de la alcantarilla , hp12=

Q2LwK1Kc , donde

K=1 . 49n

ARh

23=

1nARh

23

para el sistema inglés o internacional.

hp23 - Perdida de carga originada por la fricción en la alcantarilla, hp23=

Q2 LK2K3

Lw - Distancia desde la sección de llegada hasta la entrada de la alcantarillaL - Longitud de la alcantarilla

Q2

g=Ac

3

Tc - Condiciones de flujo crítico

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Clase I, Tipo 2:

En esta clasificación del flujo, el tirante crítico se presenta a la salida de la alcantarilla. Para que se presente este tipo de flujo, se debe cumplir los siguientes requisitos.

a. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.2. b. La pendiente de la alcantarilla debe ser menor que la pendiente critica, formando un

flujo subcritico, So<Sc.c. La elevación aguas abajo, h4 no puede exceder la elevación de la superficie del agua en

la sección critica, h4 < dc.d. La carga de aguas abajo debe ser menor o igual que el diámetro, h4 ≤ D.e. El control es la profundidad crítica en la salida, fluyendo parcialmente llena.i. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q2=Cd Ac√2g (h1+V 1

2

2g−dc−hp12−hp23)

h1=h4+V 4

2

2 g+hp12+hp23−SoL

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Clase I, Tipo 3:

En este tipo de flujo, la existencia de un perfil de flujo gradualmente variado es el factor de control (remanso en la salida), no puede presentarse un tirante critico, y la elevación de la superficie del agua en la sección aguas arriba de la alcantarilla es una función de la elevación aguas abajo de la alcantarilla. En esta clasificación de flujo, este es subcritico a todo lo largo de la alcantarilla. Para que se presente este tipo de flujo, deben cumplirse los siguientes requisitos:

a. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.2. b. La elevación aguas abajo no será suficiente para ahogar la salida de la alcantarilla,

pero excederá la elevación del tirante critico a la salida, o sea h4 ≤ dc, fluyendo parcialmente llena.

c. El limite inferior de la elevación aguas abajo será tal que: i) la elevación aguas abajo del agua sea mayor que el tirante critico en la entrada de la alcantarilla, si las condiciones de flujo son tales que se presentarse un tirante critico en la entrada, b) la elevación aguas abajo del agua sea mayor que la elevación del tirante critico a la salida de la alcantarilla, si la pendiente de esta es tal que el tirante critico se presentaría en esta sección bajo la condición de caída libre.

d. La elevación del agua a la salida deberá ser mayor que el tirante critico, h4>dc.e. La carga de aguas abajo debe ser menor o igual que el diámetro h4 ≤ D.f. La pendiente de la alcantarilla debe ser menor que la pendiente critica, So < Sc.g. El control es un remanso en la salida.h. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q3=Cd A3√2g(h1+V 1

2

2g−h3−hp12−hp23)

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3.4.1.2. ALCANTARILLAS CON ENTRADA SUMERGIDA

Una alcantarilla trabaja con entrada sumergida cuando la altura aguas arriba (h1) es mayor que 1.2D, se pueden subdividir según:

Clase II, Tipo 4:

En esta clasificación de flujo podemos indicar:

a. La alcantarilla está llena, así que el gasto se puede estimar directamente con la ecuación de energía.

b. Para el tipo de flujo tipo 4, las pérdidas de carga entre las secciones 1 y 2 y las secciones 3 y 4 con frecuencia pueden despreciarse.

c. Las pérdidas causadas por la expansión brusca del campo del flujo a la salida de la alcantarilla se supone que es (h3-h4).

d. El tipo de control es de salida con remanso.e. La elevación del agua en la salida deberá ser mayor que el diámetro de la alcantarilla,

y4 > D, o sea, que está sumergida.f. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q4=Cd A0 √ 2g( h1−h4 )

1+(29Cd2n2 L

R04 /3

)

Donde el subíndice o, se refiere al valor para alcantarilla llena.

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Clase II, Tipo 5:


a. La razón carga – diámetro de alcantarilla excede a 1.2. b. El flujo es supercrítico a la entrada a la alcantarilla, o sea So > Sc.c. El tipo de control depende de la geometría en la entrada.d. La elevación de aguas abajo, se encuentra debajo del invert de la alcantarilla, h4 < De. La alcantarilla fluye parcialmente llena.f. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q5=Cd A0√2g(h1−z )

Clase II, Tipo 6


a. La razón carga – diámetro no debe exceder a 1.2.b. La alcantarilla fluye llena y el tipo de control depende de la geometría de la entrada y

de la alcantarilla.c. La elevación del agua en la salida debe ser menor que el tamaño de la alcantarilla, h4

<D.d. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Q6=Cd A0√2g (h1−h3−hp23)h1=(h1−h4 )+D−SoL

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Las alcantarillas generalmente manejan caudales relativamente pequeños, por lo tanto, una forma de diseñar las alcantarillas es logrando una capacidad de flujo lleno, conociendo el caudal de entrada, la profundidad de flujo disponible hasta la rasante del diseño geométrico y el borde libre, como factor de seguridad para que la corriente no pase sobre la vía de la carretera, o bien la relación de la profundidad de flujo permitido y el diámetro de la alcantarilla (h1/D).

Una ecuación que permite estimar la carga a la salida de la alcantarilla:

- circulares funcionando a tubo lleno

h4=[ 2. 5204+(1+K12)

D4+466 . 18n2L

D16

3 ]( Q10 )2

- cajas, funcionando llenas

h4=[ 1. 555+(1+K 12)

D4+287 . 64n2 L

D16

3 ]( Q10 )2

Donde:

K12 - coeficiente de pérdidas a la entradaD - diámetro de la alcantarilla en piesn - coeficiente de ManningL - longitud de la alcantarilla en piesQ - caudal de diseño en p3/sH4 - carga a la salida de la alcantarilla en pies

En muchos casos, puede realizarse un cálculo aproximado entre dos secciones situadas aguas arribas y aguas debajo de una obra transversal de desagüe con la siguiente formula:

h1=[1+K12+2gn2 L

Rh

43 ]V o

2

2g−So L+μ

Donde: μ - el mayor de los dos valores siguientes: 1) profundidad de flujo de salida del conducto (medido sobre la solera). 2) semisuma de la profundidad critica y de la profundidad de este; si el resultado es superior a la altura (dc > Ynormal), se tomara igual a la altura (μ=Ynormal).

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Tabla. Coeficientes de pérdidas de carga en la entradaEntrada K12

Tubos de hormigónExentos 0.6Con muros de acompañamiento 0.4Con aletones 0.3

Otros conductos de hormigónExentos 0.6Con muros de acompañamiento 0.4Con aletones 0.2

Tubos corrugadosExentos 0.8Ataluzados 0.7Con muros de acompañamiento 0.6Con aletones 0.3

En esta tabla sirve como guía en la clasificación en la clasificación del flujo en alcantarillas dentro de una de las categorías anteriores.

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3.4.1.3. COEFICIENTE DE GASTO

El coeficiente de gasto, Cd se han establecido por pruebas de laboratorio se ha observado que varían dentro de un intervalo de 0.39 a 0.98. En general, el coeficiente de gasto esta en función del grado de la contracción del canal y de la geometrías de la entrada de la alcantarilla. Para el caso de algunas geometrías de entrada, un coeficiente de base de gasto debe multiplicarse por un factor que refleje el grado de redondeo o el biselado de la entrada.

Además, los valores del coeficiente de gasto se pueden aplicar a instalaciones de una sola o de múltiples alcantarillas, si la red entre las alcantarillas en las instalaciones de alcantarillas múltiples es menor que 0.1 del ancho de una sola alcantarilla.

Al examinar la variación del coeficiente de gasto, es conveniente considerar tres grupos: los flujos tipo 1, 2, 3 forman un grupo, los de tipo 4 y 6 un segundo grupo y el flujo tipo 5 un tercer grupo. Asimismo, se consideran cuatro tipos de geometrías de entrada: 1) a paño con pared vertical, 2) paredes inclinadas, 3) entrada protuberante y 4) alcantarilla a escuadra sobre unos lados inclinados.

a. Coeficiente de gasto para flujos tipos 1, 2 y 3.

Los coeficientes de gastos para alcantarillas de aristas cuadradas colocadas en una pared vertical es una función de h1/D, donde el coeficiente de gasto base para este caso se puede determinar por la figura 8.27.

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Figura 8.27. Coeficiente base de gasto para flujos tipos 1,2 y 3 en alcantarillas circulares con entradas cuadradas montadas a paño en pared vertical. (Bodhaine, 1976)

Si se redondea o se bisela la entrada, el coeficiente de gasto obtenido con la figura 8.27 debe multiplicarse por alguno de los coeficientes kr o kw, kr y kw están en función del grado de redondeo de la entrada o biselado y se determinan a partir de las figuras 8.28 y 8.29.

Figura 8.28. Kr en función de r/b o r/D para flujos tipo 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares o circulares colocadas a paño en paredes verticales (Bodhaine, 1976).

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Figura 8.29. Kw en función de w/b o w/D para flujos tipos 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares o circulares colocadas a paño en paredes verticales (Bodhaine, 1976).

Sea observado que el coeficiente de gasto para alcantarillas rectangulares en paredes verticales está en función del número de Froude. Para los tipos de flujo 1 y 2, el número de Froude es uno y Cd es igual a 0.95. Para el flujo tipo 3, el número de Froude debe determinarse en la sección 3 y Cd se tomaría de la figura 8.30.

Figura 8.30. Coeficiente de gasto base para flujos tipos 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares con entradas cuadradas montadas a paño en pared vertical (Bodhaine, 1976)

En la figura 8.30, se puede extrapolar hasta los valores del número de Froude de 0.1, de ser necesario.

Si la entrada de la alcantarilla se redondea o se bisela, el coeficiente de gasto ajustado se obtiene al multiplicar el Cd de base por Kr o Kw, que se estiman en las figuras 8.28 y 8.29.

Si se ponen paredes inclinadas a la entrada de la alcantarilla circulares en paredes verticales no tiene ningún efecto sobre el coeficiente de gasto.

En el caso de las alcantarillas rectangulares, el coeficiente de gasto base obtenida con la figura 8.30, se debe multiplicar por Kθ, que es un parámetro que está en función del ángulo de la pared inclinada y que se obtiene de la figura 8.31.

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Figura 8.31. Kθ en función del ángulo de inclinación de la pared de entrada para flujos 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares con paredes a paño con el talud (Bodhaine, 1976)

Si la entrada de las paredes inclinadas no es simétrica, entonces debe determinarse, independientemente, un valor de Cd para cada lado, y promediar los resultados.

En una alcantarilla circular que se extiende más allá de la pared de entrada o del talud, el coeficiente de gasto se determina al seguir el procedimiento descrito para una alcantarilla a paño con una pared vertical y al multiplicarlo por el parámetro KL. En la tabla siguiente, se encuentran valores de KL en función de la pared o el talud.

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Donde Lp es la longitud de la protuberancia de la alcantarilla desde la pared o el talud. El coeficiente de gasto sobre el que se aplica KL no debe exceder de 0.95, ya que este el valor límite de Cd. El coeficiente de gasto de una alcantarilla a escuadra, puesta a canto sobre el talud, se determina con la figura 8.32

Figura 8.32. Coeficiente de gasto para flujos tipo 1,2 y 3 en una tubería a escuadra y paño con el talud. (Bodhaine, 1976)

Todas las alcantarillas con flujo tipo 1,2 y 3 se necesita un ajuste final del coeficiente de gasto. Sea

m=1− AA1

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Donde m - razón de contracción del canalA1 - área de flujo en la sección de entradaA - área del flujo en la sección Terminal

Para m= 0.80, un valor ajustado del coeficiente de gasto puede estimarse con la figura 8.33.

Figura 8.33. Ajuste del coeficiente de gasto según el grado de contracción para flujos 1,2 y 3 (Bodhaine, 1976)

Para valores de m> 0.80, el coeficiente ajustado se puede estimar con

Cd¿=0 . 98−

(0. 98−Cd )m0 .80

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b. Coeficiente de gasto para flujos tipos 4 y 6.

El coeficiente de gasto para alcantarillas circulares o rectangulares a paño con la pared vertical se determina de la tabla 8.21 para estos tipos de flujos.

Para alcantarillas con secciones finales abocinadas (forma de bocina), Cd = 0.90 independientemente del diámetro o el valor de h1/D.

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Si se agregan paredes inclinadas a la entrada de las alcantarillas circulares a paño con la pared, no causa ningún efecto sobre el coeficiente de gasto. En alcantarillas con paredes inclinadas y entradas cuadradas, Cd = 0.87 para 30 ≤ θ ≤ 75 grados y Cd = 0.75 para θ = 90 grados, donde el ángulo se define en la figura 8.31.

c. Coeficiente de gasto para flujos tipos 5.

El coeficiente de gasto para alcantarilla circulares o rectangulares a paño en una pared vertical con flujo tipo 5, se resumen en la tabla 8.22.

Aunque el flujo tipo 5 no se presenta normalmente en alcantarillas con secciones de entrada y salida abocinadas, si L/D< 6 y Sc > 0.03, puede ocurrir el flujo tipo 5. Aunque en estas condiciones, el flujo tipo 5 puede gradualmente convertirse en flujo tipo 6.

Si, aun así se considera que pueda ocurrir un flujo tipo 5, entonces el coeficiente de gasto es una función de h1/D (ver tabla 8.23).

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El coeficiente de gasto de una alcantarilla circular a paño con pared vertical no se ve afectado por paredes inclinadas adicionales. Para el caso de alcantarillas rectangulares con paredes inclinadas y entradas cuadradas, el coeficiente de gasto es una función de h1/D y θ (tabla 8.24).

Para alcantarillas circulares a escuadra y a paño con el talud, el coeficiente de gasto se estima determinando un coeficiente base de la tabla 8.22 y multiplicando este por 0.92. Si la alcantarilla es de pared delgada (metal corrugado) el parámetro KL (tabla 8.20) también debe emplearse.

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Al evaluar la presicion de la estimación de los gastos, Bodhaine (1976) noto que se deben considerar seis factores:

La presicion en los datos de elevaciones de las secciones de llegada y salida La estabilidad del canal de llegada La semejanza de las condiciones de entrada con las estándar La forma y condición de la alcantarilla La socavación de sedimentos en la alcantarilla La posibilidad de que la alcantarilla se encuentre parcialmente obstruida por detritos

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Tabla - Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes.

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Sumidero tipo ventana

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Sumidero tipo ventana con sello

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