Manual de Drenaje Invias 2009 Cap. 4

7/30/2019 Manual de Drenaje Invias 2009 Cap. 4

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Drenaje Superficial

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Instituto Nacional de Vas Manual de Drenaje para Carreteras

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Captulo 4 Drenaje superficial

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TABLA DE CONTENIDO

CAPTULO 4. DRENAJE SUPERFICIAL 4 - 1

4.1. TIPOS DE FLUJO 4 - 1

4.1.1. Flujo crtico 4 - 1

4.1.2. Flujo uniforme permanente 4 - 2

4.1.3. Flujo gradualmente variado 4 - 44.1.3.1. Secciones de control (naturales, artificiales) 4 - 64.1.3.2. Mtodos de clculo 4 -6

4.1.4. Flujo rpidamente variado 4 - 94.1.4.1. Resalto hidrulico 4 - 94.1.4.2. Disipadores de energa 4 - 12

4.2. CUNETAS 4 - 17

4.2.1. Localizacin en secciones de corte, terrapln y enseparador central 4 - 17

4.2.2. Caudal de diseo 4 - 17

4.2.3. Tipos de seccin y seguridad vial 4 - 18

4.2.4. Diseo de cunetas 4 - 214.2.4.1. Funcionamiento hidrulico 4 - 214.2.4.2. Revestimiento 4 - 224.2.4.3. Refuerzo estructural 4 - 22

4.2.5. Descole de cunetas 4 - 224.2.5.1. Pocetas o cajas colectoras 4 - 234.2.5.2. Protecciones: empedrados 4 - 244.2.5.3. Bajantes o alivios 4 - 25

4.2.6. Cunetas bajo accesos a predios o vas y en zonassuburbanas 4 - 26

4.2.6.1. Paso de cunetas bajo accesos a predios o interseccinde vas 4 - 26

4.2.6.2. Cunetas en zonas urbanas y semiurbanas 4 - 26


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4.3. ZANJAS DE CORONACIN O CONTRACUNETAS YZANJAS EN PIE O BASE DE TERRAPLENES 4 - 29

4.3.1. Localizacin 4 - 30

4.3.2. Secciones tpicas 4 - 31

4.3.3. Descoles: corrientes naturales, pocetas o cajascolectoras 4 - 31

4.4. ALCANTARILLAS 4 - 33


4.4.2. Caudal de diseo 4 - 35

4.4.3. Estructuras de entrada 4 - 354.4.3.1. Pocetas o cajas colectoras 4 - 354.4.3.2. Aletas, cabezotes y soleras 4 - 354.4.3.3. Obras complementarias: canales y escalones 4 - 36

4.4.4. Estructuras de salida 4 - 364.4.4.1. Aletas, cabezotes y soleras 4 - 364.4.4.2. En muros 4 - 374.4.4.3. Obras complementarias: canales y rpidas lisas o escalonadas 4 - 37

4.4.5. Diseo del conducto de la alcantarilla 4 - 374.4.5.1. Funcionamiento hidrulico 4 - 37

4.4.5.1.1. Flujo con control a la entrada 4 - 39

4.4.5.1.2. Flujo con control a la salida 4 - 464.4.5.2. Alcantarillas para desage de cunetas, filtros y zanjas de

coronacin 4 - 494.4.5.3. Alcantarillas para cruce de corrientes 4 - 494.4.5.4. Alcantarillas a presin 4 - 49

4.4.6. Criterios de diseo 4 - 494.4.6.1. Hidrulicos: carga a la entrada y velocidades en el conducto y

descole del agua 4 - 494.4.6.2. Arrastre de sedimentos 4 - 504.4.6.3. Pendiente del conducto o tubera 4 - 504.4.6.4. Recubrimiento y longitud del conducto 4 - 51

4.4.7. Socavacin en alcantarillas 4 - 51

4.4.8. Modelacin hidrulica: software HY8 4 - 514.4.8.1. Descripcin 4 - 514.4.8.2. Capacidades 4 - 52


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4.5. PUENTES 4 - 58


4.5.2. Caudales de diseo 4 - 58

4.5.3. Informacin de terreno para diseo 4 - 584.5.3.1. Topogrfica y/o batimtrica 4 - 584.5.3.2. Suelos 4 - 594.5.3.3. Hidrulica 4 - 604.5.3.4. Diseo geomtrico y estructural 4 - 61

4.5.4. Estimacin de los niveles de agua 4 - 614.5.4.1. Seleccin del coeficiente de rugosidad 4 - 614.5.4.2. Anlisis hidrulico 4 - 664.5.4.3. Glibo 4 - 674.5.4.4. Afectaciones al rgimen existente 4 - 67

4.5.5. Alcances de diseo para pontones 4 - 68

4.5.6. Modelacin hidrulica: software HEC-RAS 4 - 68

4.5.7. Socavacin 4 - 70

4.6. OBRAS COMPLEMENTARIAS 4 - 75

4.6.1. Diseo de canales 4 - 754.6.1.1. Canales sin revestimiento 4 - 774.6.1.2. Canales no erosionables o revestidos 4 - 80

4.6.2. Diseo de estructuras de cada escalonadas, rpidaslisas y escalonadas combinadas 4 - 81

4.6.3. Bateas, vados o badenes 4 - 91

4.7. INFORMACIN EN PLANOS 4 - 97

4.7.1. Planos planta-perfil 4 - 97

4.7.2. Planos de detalle 4 - 98

4.8. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 4 - 99


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CAPTULO 4. DRENAJE SUPERFICIAL

4.1. TIPOS DE FLUJO

Las estructuras hidrulicas de drenaje vial funcionan a superficie libre o canalabierto, sujeto a la presin atmosfrica. Dependiendo de la variacin de laprofundidad y de la velocidad del flujo, a lo largo del canal y en el tiempoocurren diferentes tipos de flujo, clasificados como uniformes, no uniformes ovariados, permanentes y no permanentes o combinaciones de los anteriores,lo cual resulta conveniente para aplicaciones prcticas.

4.1.1. Flujo crtico

La Energa Especfica1 (E), definida como la energa con respecto al fondo

del canal, se expresa como:

2g

V+y=E

2

[4.1]

Siendo: y: Profundidad del agua, en metros (m).

: Coeficiente de Coriolis.

V: Velocidad media del flujo, en metros por segundo (m/s).

g: Aceleracin de la gravedad, en metros por segundocuadrado (m/s2).

Para un caudal dado, la energa especfica es mnima para una profundidady denominada profundidad crtica. Esta condicin se satisface cuando:

1=

Dg

V=F

[4.2]

En donde: F: Nmero de Froude.

D: Profundidad hidrulica, en metros (m).

1Una descripcin de estas ecuaciones bsicas de fluidos y la derivacin de las expresionesque se presentan en este numeral se puede consultar, entre otras, en las referencias 4.5, 4.7y 4.33.


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A partir de la anterior ecuacin es posible encontrar el valor de la profundidadcrtica (yc), lo que para secciones simples se puede realizar algebraicamente,siendo necesario en secciones de ros o ms complejas aplicar mtodosgrficos o numricos, nomogramas o procedimientos de ensayo y error para

encontrar la profundidad crtica.Si bien para canales el flujo crtico no es deseable2, pues ste es inestable alsufrir cambios de nivel significativos ante pequeas variaciones de energaespecfica, s tiene importantes implicaciones en el control del flujo, como sedescribe a continuacin y en el numeral 4.1.3.1.

Por definicin, la celeridad (c) es la velocidad de la onda, relativa al mediocon la cual se extienden pequeas perturbaciones de la superficie y es iguala la velocidad crtica. Asumiendo una distribucin uniforme de la velocidad,es decir, = 1, la celeridad se define como:

Dg=V=c c [4.3]

En los flujos subcrticos (aqullos con un nmero de Froude < 1) en loscuales la velocidad es menor a la velocidad crtica (V1) en queV>Vc, las ondas de perturbacin se propagan hacia aguas abajo

exclusivamente, por lo que una perturbacin aguas abajo no afecta el flujoaguas arriba; es decir, el flujo supercrtico tiene control aguas arriba.

El flujo crtico define entonces as: el flujo es subcrtico cuando Vyc y el flujo es supercrtico cuando V>Vc o y


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Donde: V: Velocidad media, en metros por segundo (m/s).

R: Radio hidrulico, en metros (m).

S0: Pendiente longitudinal del canal, equivalente a lapendiente de la superficie del agua y a la pendiente dela lnea de energa o pendiente de friccin, en metrospor metro (m/m).

C: Constante de Chzy, la cual puede ser obtenidamediante la relacin emprica:

nR=C 61

[4.5]

En donde n es el coeficiente de rugosidad de Manning, variable que ha sido

objeto de una gran investigacin en campo, por lo que el uso de la expresinde Manning, pese a ser limitado con respecto a la ecuacin original deChzy, es ampliamente aceptado a nivel internacional.

La ecuacin de Manning, caracterstica del flujo uniforme es entonces:

21

03

2

SRn

1=V [4.6]

La cual, aplicando la ecuacin de continuidad, se expresa en funcin delcaudal como:

21

03

2SRA

n

1=Q [4.7]

La velocidad y la profundidad para un flujo uniforme son llamadasprofundidad normal (yn) y velocidad normal (Vn).

La profundidad normal (yn) se puede encontrar a partir de la siguienteexpresin, en la cual las propiedades geomtricas del canal A y R sonexpresadas en trminos de la profundidad y.

21

0

32

S

Qn=RA [4.8]

El valor de la profundidad normal se obtiene, entonces, a partir de la anteriorecuacin, aplicando tcnicas algebraicas, de nomogramas, mtodos grficos,numricos o de ensayo y error.


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4.1.3. Flujo gradualmente variado

En el flujo gradualmente variado, la tasa de variacin de la profundidad delflujo con la distancia es pequea, por lo que la curvatura de las lneas de

corriente es despreciable y la distribucin de presin es hidrosttica.Asumiendo una pequea pendiente en el canal, un canal prismtico sin flujolateral con presin hidrosttica y un clculo de prdidas de energa con laexpresin del flujo uniforme, las ecuaciones que gobiernan el flujogradualmente variado son:

Ecuacin de continuidad:

V A=Q [4.9]

Ecuacin de energa:

fS-=dxdH [4.10]

Donde: Q: Caudal transportado, em metros cbicos por segundo(m3/s).

V: Velocidad, en metros por segundo (m/s).

A: rea, en metros cuadrados (m2).

H: Elevacin de la lnea de energa sobre el datum, en

metros (m).

g2

V+Y+Z=H

2

[4.11]

Donde: x: Distancia positiva hacia aguas abajo, en metros (m).

Sf: Pendiente de la lnea de energa o de friccin, enmetros por metro (m/m).

Z: Elevacin del fondo del canal con respecto al datum, en

metros (m).

Y: Profundidad del flujo, en metros (m).

V: Velocidad media del flujo, en metros por segundo (m/s)

: Coeficiente de Coriolis.


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g: Aceleracin de la gravedad, en metros sobre segundoal cuadrado (m/s2).

Figura 4.1. - Esquema de definicin de variables

Con las anteriores ecuaciones y bajo las simplificaciones supuestas, se llegaa la ecuacin de flujo gradualmente variado:

2

f0

F-1

S-S=

dx

dy [4.12]

Donde: y: Profundidad del flujo.

S0: Pendiente del fondo del canal, en metros por metro(m/m).

Sf: Pendiente de la lnea de energa o de friccin, enmetros por metro (m/m).

F: Nmero de Froude.

Esta ecuacin es diferencial y su resolucin requiere condiciones iniciales yde frontera, denominndose, en el caso de canales, secciones de control alas condiciones de frontera.

Los diferentes tipos de flujo gradualmente variado, clasificados de acuerdocon su pendiente y su posicin relativa con respecto a las profundidadesnormal y crtica, no son descritos dentro de este manual, pero se puedenconsultar en la bibliografa.

Datum


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4.1.3.1. Secciones de control (naturales, artific iales)

Una seccin de control es aquella seccin donde se presenta una relacindefinida y nica entre el caudal y la profundidad del agua.

En el primer tipo de control o de profundidad crtica se asume que en laseccin de control se desarrolla una profundidad igual a la crtica. Sepresenta en transiciones (cambios locales en el canal como, por ejemplo, enel fondo o en el ancho del canal) en las cuales el flujo pasa por laprofundidad crtica o en extremos aguas abajo de regmenes subcrticos. Sulocalizacin se establece a partir de la observacin de las condiciones de lacorriente por lo que, para las longitudes de corrientes usualmente analizadasen cruces, no es fcil establecer este tipo de control.

El segundo tipo de control, denominado control artificial del canal, loconstituye un dispositivo o estructura dentro de un canal en que se estableceuna relacin nica entre la elevacin del nivel de agua o cabeza aguas arribay el caudal, similar a la que existe entre el caudal y la profundidad crtica. Porejemplo, una compuerta en que para una posicin de abertura existe unarelacin entre el caudal y la profundidad del flujo aguas arriba.

Finalmente, el tercer tipo de control, cuando los anteriores no se presentanen el tramo del canal, es el de la profundidad normal, en el cual la altura y elcaudal se relacionan a travs de una expresin como la de Manning. En untramo de canal hidrulicamente largo, la localizacin ms probable de estecontrol es en el extremo aguas arriba para flujos con rgimen subcrtico y enel extremo aguas abajo para flujos con rgimen supercrtico. Este tipo decontrol es el ms fcil de establecer y viene incorporado dentro de lasopciones de condiciones de frontera del software HEC-RAS (Referencia4.30), en el cual se suministra la pendiente de la lnea de energa3 con la cualse calcula la profundidad normal en cada seccin.

4.1.3.2. Mtodos de clcu lo

La ecuacin caracterstica del flujo gradualmente variado (ecuacin [4.12]),es diferencial no lineal de primer orden, para la cual existen diferentesmtodos de integracin, de los cuales se exponen a continuacin los msempleados.

3Como la pendiente de la lnea de energa no es conocida a priori, puede ser aproximadaintroduciendo la pendiente de la superficie del agua, y si sta tampoco se conoce,introduciendo entonces la pendiente del fondo del canal.


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Mtodo del paso directo

Consiste en dividir el canal en pequeos tramos y determinar, tramo portramo, el cambio en la longitud del tramo para un cambio dado en la

profundidad. No aplica en cauces naturales, donde se dispone desecciones transversales a distancias determinadas, pero s aplica muybien en canales prismticos sin prdidas localizadas, en los cuales sedispone de secciones transversales en cualquier punto del canal.

Figura 4.2. - Tramo de canal para deduccin de los mtodos de paso(Referencia 4.33)

La ecuacin que emplea este mtodo es la siguiente:

f0

12

12 S-S

E-E=x-x=x [4.13]

Donde: Subndices 1 y 2 se refieren a las secciones 1 y 2 de laFigura 4.2.

x: Longitud del tramo, en metros (m).

E: Energa especfica, en metros (m) (calculada con laexpresin [4.1]).


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S0: Pendiente del canal, en metros por metro (m/m).

Sf: Pendiente promedio de la lnea de energa, enmetros por metro (m/m). Esta pendiente promedio

puede ser definida de muchas maneras (promedioaritmtico, geomtrico, media armnica)

Mtodo del paso estndar

En este mtodo, aplicable a corrientes naturales, se determinan loscambios en los niveles de agua para una longitud dada entre secciones.

Parte de la aplicacin de la ecuacin de la energa o de Bernoulli, entredos secciones transversales del canal (Ver Figura 4.2):

fh+

g2

22V2+

2Y+

2Z=

g2

21V1+

1Y+

1Z [4.14]

Donde: Subndices 1 y 2 indican las secciones transversalesaguas arriba y aguas abajo del canal, respectivamente

Z: Elevacin de la solera del canal, en metros (m).

Y: Profundidad del agua, en metros (m).

: Coeficiente de ponderacin de velocidad

g: Aceleracin de la gravedad, en metros por segundoal cuadrado (m/s2).

hf: Prdida de energa, m (calculada como la suma delas prdidas por friccin, por contraccin yexpansin):

hf= LSf+ C 2V222 g - 1V12

2 g [4.15]

Siendo: L: Distancia entre las secciones 1 y 2, en metros (m).

C: Coeficiente de expansin o contraccin (VerTabla4.1)


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Tabla 4.1. Coeficientes de contraccin y de expansin (Referencia 4.30)

FLUJO SUBCRTICO CONTRACCIN EXPANSIN

Transicin gradual 0.1 0.3Transicin abrupta 0.6 0.8Puente tpico 0.3 0.5

Sf: Pendiente promedio de la lnea de energa, m/m

La pendiente en cada seccin (S f) se calcula como:

Sf= nQA R2/3

2 [4.16]Donde: n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

Q: Caudal, en metros cbicos por segundo (m3/s).

A: rea de la seccin del canal, en metros cuadrados(m2).


4.1.4. Flujo rpidamente variado

Es un flujo cuya no uniformidad obedece a grandes aceleraciones odesaceleraciones en tramos cortos (Referencia 4.21), por lo que no se puedeasumir presin hidrosttica, lo que unido a posible separacin del flujo yremolinos dificulta su anlisis terico y favorece su investigacinexperimental, estableciendo relaciones empricas para aplicacionesespecficas de diseo. Dentro de los fenmenos con flujo rpidamentevariado de inters para el drenaje vial, se encuentran el resalto hidrulico ylos disipadores de energa, los cuales se explican brevemente acontinuacin.

4.1.4.1. Resalto hidrulicoEs un fenmeno por medio del cual el flujo cambia abruptamente de unacondicin supercrtica a otra condicin subcrtica. Como disipador deenerga, que es la aplicacin que se usa en el drenaje vial y con fines dediseo de muros y soleras, es necesario caracterizar su altura secuente oconjugada, su perfil superficial y su longitud.


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Estas propiedades se presentan en la Figura 4.3 para un canal rectangular yde fondo horizontal, conocida la condicin aguas arriba.

En cuanto a las prdidas de energa, ests se pueden calcular con lasiguiente expresin:

( )

21

312

yy4

y-y=E [4.17]

Siendo: E: Prdida de energa en el resalto, en metros (m).

y2: Profundidad secuente o conjugada, en metros (m).

y1: Profundidad del flujo antes del resalto, en metros (m).

(a) - Relacin entre F1 y y2/y1adimensionales


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(b) - Perfiles superficiales

(c) - Longitud del resalto hidrulico

Figura 4.3. - Caractersticas del resalto hidrulico en un canal rectangular horizontal(Referencia 4.33)


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Para canales con altas velocidades y nmeros de Froude mayores de 1.6,las lminas de flujo hinchadas por la entrada de aire, se pueden calcular apartir de las siguientes expresiones (Referencia 4.30)5:

( ) F0.061a

eD0.906=D Para F 8.2 [4.18]

( ) F0.1051a eD0.620=D Para F> 8.2 [4.19]

Donde: Da: Profundidad del agua con entrada del aire, enmetros (m).

D: Profundidad del agua sin entrada del aire, enmetros (m).

e: Constante numrica igual a 2.718282

F: Nmero de Froude.

Como dato cierto para el diseo de la rpida, se puede calcular lavelocidad mxima terica en el extremo aguas abajo, la cual es:

)cosd-(Hg2=Vmax 1 [4.20]

En la que: Vmax: Velocidad mxima terica del flujo, en metrospor segundo (m/s) (es superior a la velocidadreal debido a las prdidas por friccin).

g: Aceleracin de la gravedad, en metros porsegundo al cuadrado (m/s2).

H1: Cabeza total o diferencia de altura entre el nivelde energa en el inicio de la rpida y el fondodel canal en el extremo inferior de la rpida, enmetros (m).

d: Profundidad del flujo aguas abajo, en metros(m).

: ngulo de la rpida con respecto a la horizontal

El material de la rpida se puede seleccionar, entonces, a partir de lamxima velocidad permisible, de acuerdo con lo indicado en la Tabla 4.2.

5Las expresiones mostradas a continuacin vienen incorporadas dentro del software HEC-RAS.


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Tabla 4.2. - Velocidades mximas permisibles en canales artificiales(Referencia 4.6)

MATERIALVELOCIDAD

MXIMA (m/s)Ladrillo comn 3.0Ladrillo vitrificado 5.0Arcilla vitrificada (gres) 4.0Concreto 175 kg/cm2 6.0Concreto 210 kg/cm2 10.0Concreto 280 kg/cm2 15.0Concreto 350 kg/cm2 20.0

En cuanto a la estructura de disipacin, su principio se basa en producirun resalto hidrulico controlado, es decir, mediante dispositivos u

obstculos tales como vertederos, bafles, bloques de impacto, cadas,escalones y umbrales dentados o slidos, asegurar la formacin delresalto y su posicin en todas las condiciones probables de operacin.

Para el diseo del cuenco o piscina de disipacin6 donde se confinaparcial o totalmente el resalto hidrulico, se pueden seleccionar losmodelos estandarizados a partir de investigaciones desarrolladas en losaos 1950 y 1960 (Referencia 4.4).Entre los ms conocidos estn eltanque SAF (Saint Anthony Falls), el tanque US Bureau of Reclamationtipo II (USBR tipo II), el USBR tipo III y el USBR tipo IV.

Las reglas para el diseo de estos tanques de amortiguacin y otrosdiferentes, se pueden consultar en las Referencias 4.6, 4.31 y 4.33.

Como producto de la investigacin realizada en el pas, en la seccin4.6.2. del presente manual se presentan los resultados obtenidos en laUniversidad Nacional sede Manizales (Referencia 4.17) para las rpidas ocanales con pantallas deflectoras, CPD, en los cuales la energa cinticaes disipada a lo largo del canal, por lo que no requieren estructura dedisipacin en el pie del talud o sta es pequea si es necesaria.

Rpidas escalonadas 7

En las estructuras de disipacin escalonadas, el agua es transportadadesde un nivel superior hasta un nivel inferior. El flujo sobre estasescaleras se puede dar en tres diferentes condiciones (Referencia4.22):

6Esta estructura tambin es conocida como tanque amortiguador.

7Para el lector interesado, se recomienda el artculo deOhtsu (2004) que concreta unametodologa de diseo y el texto clsico del tema escrito por Chanson (1994).


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Revisin geotcnica para el diseo de rpidas

Al disear este tipo de obras, consistente en rpidas lisas, escalonadas osu combinacin, es muy importante considerar su estabilidad geotcnica,de acuerdo con lo expresado en la Figura 4.4. En los casos en que lapendiente topogrfica donde se proyecta la rpida escalonada seainestable geotcnicamente, se deber dar el desarrollo necesario a larpida para no exceder la pendiente permisible; es decir, disminuir supendiente () dndole una mayor longitud horizontal a la estructura. Otraalternativa es anclar la estructura, para lo cual se deben desarrollar losanlisis y estudios pertinentes.

El ngulo debe ser menor que el ngulo de estabilidad as:tantan

Debe ser mayor de 1.5

Para suelos friccionantes (arenosos) es el ngulo de friccin residual para el suelosaturado

Hmxima=2C

Donde: c: Cohesin (en suelos cohesivos)

: Peso unitario saturadoPara suelos con friccin y cohesin debe realizarse un clculo de factor de seguridad parafalla o a cortante para el sistema de los crculos de falla.

Figura 4.4. - Verificacin geotcnica de una gradera (Referencia 4.26)


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4.2. CUNETAS

4.2.1. Localizacin en secciones de corte, terrapln y en separadorcentral

Las cunetas son estructuras de drenaje que captan las aguas de escorrentasuperficial proveniente de la plataforma de la va y de los taludes de corte,conducindolas longitudinalmente hasta asegurar su adecuada disposicin.Las cunetas construidas en zonas en terrapln protegen tambin los bordesde la berma y los taludes del terrapln de la erosin causada por el agualluvia, adems de servir, en muchas ocasiones, para continuar las cunetas decorte hasta una corriente natural, en la cual entregar.

Para las cunetas en zonas de corte, los puntos de disposicin son cajascolectoras de alcantarillas y salidas laterales al terreno natural en un cambiode corte a terrapln. En las cunetas en terrapln, las aguas se disponen alterreno natural mediante bajantes o alivios y en las cunetas de un separadorcentral8 las aguas tambin son conducidas a la caja colectora de unaalcantarilla.

Las cunetas se deben localizar esencialmente en todos los cortes, enaquellos terraplenes susceptibles a la erosin y en toda margen interna de unseparador que reciba las aguas lluvias de las calzadas.

Las abscisas en las cuales se deben ubicar cunetas y puntos de desagedeben ser obtenidas a partir del anlisis de los perfiles de la va (con suslneas de chafln de corte y de relleno) y del diagrama de peraltes en dondese indica el sentido del bombeo (pendiente transversal) para el caso dedobles calzadas.

4.2.2. Caudal de diseo

Considerando que por lo general el rea aferente a las cunetas es inferior auna hectrea (1.0 ha), para la obtencin de los caudales de diseo seemplea el mtodo racional explicado en el Captulo 2.

El rea aferente a la cuneta debe incluir la calzada o media calzada de la va,ms la proyeccin horizontal del talud de corte hasta la zanja de coronacin(Ver Figura 4.5). En caso de no proyectarse esta zanja, la cuneta debecontemplar el rea topogrfica aferente a la misma. En la definicin de esta

8Cuando no es posible emplear cunetas en el separador central, se deben considerar otrassoluciones de mayor complejidad, tales como sumideros, etc., siendo fundamental captar yconducir las aguas que drenan al separador central.


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rea se debe considerar el perfil del diseo geomtrico que establece loslmites o puntos altos que definen los sentidos de drenaje hacia las cunetas.

El coeficiente de escorrenta corresponder al coeficiente ponderado de los

diferentes tipos de rea aportante, en funcin del tipo de suelo, de lacobertura y de la pendiente.

Figura 4.5. - rea aferente a las cunetas

Finalmente, la intensidad es calculada a partir de la curva intensidad-duracin-frecuencia, (IDF) del proyecto, para el perodo de retorno

seleccionado y un tiempo de concentracin mnimo (por ejemplo, 15minutos).

4.2.3. Tipos de seccin y segur idad vial

La seccin transversal de la va y dentro de ella la de la cuneta, juega unpapel fundamental en la seguridad vial, por lo que al proyectar las cunetascon una determinada seccin, este aspecto debe ser considerado.

Cunetas con una seccin inadecuada pueden originar problemas deencunetamiento de los vehculos y, en los casos ms graves, hasta vuelco,

ms an si por limitaciones de espacio se proyectan berma-cunetas, las quenecesariamente implican circulacin o permanencia de vehculos cerca a lacuneta.

Secciones rectangulares o trapezoidales profundas o con taludes altos haceninfranqueables o dificultan en gran manera la salida de vehculos, por lo que,en caso de ser empleadas, deben estar acompaadas de barreras de


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seguridad, bordillos o guardarruedas (Figura 4.6) o, como mnimo, deseales de advertencia con el adecuado manejo desde el punto de vista deseguridad de estos elementos que obstaculizan el trnsito vial (separacinmnima desde el borde de la calzada de 60 centmetros).

Figura 4.6. - Bordillos de seguridad en cunetas

Las secciones ms recomendadas son, entonces, las parablicas (con unaconstruccin complicada y baja capacidad hidrulica), las cuales son las msadecuadas en aquellos tramos viales donde se presenta entrada y salida

permanente de vehculos (estaciones de servicio, locales comerciales, etc.) ylas triangulares (las ms sencillas de construir), donde es espordica o nulala circulacin vial.

Dentro de las cunetas triangulares, es necesario limitar las pendientes de lacuneta y la profundidad de la misma, existiendo para ello diferentes normas anivel internacional. Dentro de las ms exigentes (Referencia 4.18) seimponen pendientes mximas del lado de la calzada de 5H : 1V y del lado deltalud 3H:2V. Otras normas limitan la pendiente del lado de la calzada a 4H :1V (Referencia 4.15) y las profundidad a 20 cm o 1/5 del ancho total,mientras que las recomendaciones ms usuales (Referencia 4.20) limitan lapendiente por el lado de la calzada a 25%.

En el medio colombiano es usual la cuneta triangular de 1.0 m de anchototal, distribuido 0.96 m al lado de la calzada y 0.04 m del lado del talud y0.20 m de profundidad (constituyendo un vrtice de 90), con lo que seobtiene una pendiente lateral de 20.8%. Modificaciones a estas dimensiones,


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siempre y cuando la pendiente al lado de la calzada sea menor o igual al25%, son tambin aceptables.

Cuando la seccin de la cuneta triangular para el ancho mximo disponible

en la seccin de la va es insuficiente, se debe emplear una cunetatrapezoidal, deseablemente con una pendiente o talud hacia la calzadamenor del 25%, condicin que de no cumplirse implica el empleo de barrerasde seguridad o de bordillos debidamente espaciados para permitir la entradadel agua.

Otra alternativa, cuando la cuneta triangular es insuficiente o cuando elterreno es rocoso, es el empleo de cunetas rectangulares, las cuales sedeben proveer de los elementos de proteccin para impedir que los vehculostiendan a caer dentro de ellas (barreras de seguridad y bordillos).

Figura 4.7. - Secciones cunetas tpicas y propiedades geomtricas (Referencia4.10)


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En el caso de berma-cunetas, se indica que la pendiente de la bermacoincide con la del carril de circulacin adyacente; es decir, la pendiente delbombeo, la cual es mximo del 4% en entretangencias, 8% en peraltes devas principales y secundarias y 6% en vas terciarias.

Esta limitacin en la profundidad de la cuneta trae como consecuencia unalimitacin en la capacidad hidrulica de la cuneta, siendo necesario elempleo de zanjas de coronacin y de una menor distancia entre alcantarillaspara desaguar las cunetas.

4.2.4. Diseo de cunetas

4.2.4.1. Funcionamiento hidrulico

El dimensionamiento o diseo hidrulico de la cuneta consiste en verificar

que la capacidad hidrulica de la estructura, estimada con la expresin deManning, sea superior al caudal de diseo.

La expresin de Manning es:

Q=1nA R2 3 S1 2 [4.21]

Siendo: Q: Caudal de diseo, en metros cbicos por segundo(m3/s).

n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

A: rea mojada, en metros cuadrados (m2).


S: Pendiente, en metros por metro (m/m).

La pendiente coincide usualmente con la pendiente longitudinal de la va,salvo en aquellos casos en que se requiere una mayor capacidad hidrulicao por facilidad de desage se proyecta la cuneta en contrapendiente por uncorto tramo. En estos casos especiales se debe verificar que la pendientesea, como mnimo, la menor recomendada por el INVIAS, es decir 0.5% y0.3% en zonas planas (Referencia 4.12).

A partir de la ecuacin [4.21], es posible obtener la lmina de agua y lavelocidad en la seccin para el caudal de diseo. La lmina de agua debe


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agua receptor y sin originar problemas de socavacin. As, en cada punto dedesage de un tramo de cuneta es necesario evaluar el impacto potencialsobre la corriente receptora en cuanto a cambios de velocidad y caudal yminimizar la erosin, ya sea con un mejor ngulo de entrega del canal y/o

una velocidad igual o menor a la de la corriente receptora. Esto ltimo selogra con disminuciones en la pendiente del canal de entrega o conincrementos en la rugosidad del revestimiento o en la seccin transversal delcanal.

Las condiciones para asegurar un adecuado descole de cunetas deben seranalizadas cuidadosamente en el terreno, pues pueden ser proyectadas msall del derecho de va, requiriendo de servidumbres.

4.2.5.1. Pocetas o cajas colectoras

Las pocetas o cajas colectoras son un tipo de estructura de entrada de lasalcantarillas (Figura 4.8), que captan las aguas provenientes de cunetas decorte, cunetas en separadores, bajantes o filtros, permitiendo su cruce bajo lava, donde desaguan atendiendo los criterios de minimizacin de impactos yde socavacin en la corriente receptora. Adicionalmente, las cajas colectorasconfinan la va y dan estabilidad al extremo de la tubera al actuar comocontrapeso ante posibles fuerzas de subpresin. En vas de doble calzada, lapoceta o caja colectora permite, tambin, la unin de la alcantarilla contuberas aferentes o el cambio de cota entre las tuberas entrante y saliente.

Para el dimensionamiento de una poceta o caja colectora es necesarioconsiderar las dimensiones y profundidad de la tubera de la alcantarilla, laprofundidad del filtro entrante o el tamao de la estructura de encole y lafacilidad de mantenimiento de la obra.


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Figura 4.8. - Caja colectora tpica

4.2.5.2. Protecciones: empedrados

De no ser posible desaguar la cuneta en una corriente, el flujo que vieneconcentrado por la cuneta se debe distribuir y entregar al terreno naturalgradualmente mediante superficies tales como empedrados o rip-rap (Figura4.9).


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4.2.6. Cunetas bajo accesos a predios o vas y en zonas suburbanas

4.2.6.1. Paso de cunetas bajo accesos a predios o interseccin de vas

El paso de cunetas bajo vas se debe realizar entubando la cuneta, ya seamediante una cuneta con tapa, una tubera circular o un crcamo condimensiones tales que permitan su limpieza. Este cambio de seccin implicauna transicin de entrada y otra de salida, la cual puede consistir en una cajainspeccionable.

Puesto que el empleo de rejillas para el paso vehicular resulta complicadodesde el punto de vista de la durabilidad de las mismas y de mantenimientoante una gran entrada de sedimentos, la tubera o crcamo empleadosdeben ser recubiertos, lo que implica una profundizacin de la tubera y unadisminucin de la pendiente de la cuneta que contina hasta su punto deentrega, ya sea en alcantarilla o al terreno natural (Figura 4.11). Estos tramosfinales de la cuneta con alto caudal y baja pendiente deben ser, por lo tanto,analizados para evitar desbordamientos sobre la va.

Figura 4.11. - Esquema de paso de cunetas bajo la carretera en vas de tercerorden

4.2.6.2. Cunetas en zonas urbanas y semiurbanas

El Manual de diseo geomtrico del INVIAS (Referencia 4.12) seala en suSeccin 7.3, Paso por zonas urbanas y suburbanas, que en los proyectosviales se deben disear las obras necesarias para no producir interferenciassobre obras de infraestructura existente, tales como colectores de aguasnegras, conducciones de acueductos, redes elctricas, etc.. Bajo la anterior

premisa, el drenaje en zonas suburbanas y urbanas debe considerar eldrenaje superficial con caractersticas urbanas; es decir, escorrentassuperficiales, captacin mediante sumideros y conducciones hasta sudisposicin final mediante sistemas de alcantarillado con sus elementos detubera y pozos.


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El empleo de cunetas y de alcantarillas de tipo carretero en zonas urbanasno slo es peligroso para el trnsito peatonal, sino que origina numerososconflictos con las descargas de un flujo concentrado sobre predios yviviendas.

En estas zonas, la solucin de drenaje que se proyecte, ya sea netamenteurbana o mixta, debe asegurar la adecuada disposicin de las aguas lluvias,sin generar afectaciones.

Ejemplo

Se desea realizar el diseo de las cunetas entre las alcantarillas localizadas en elK39+460 y el K39+560, de una carretera con las caractersticas geomtricas que semuestran en la siguiente figura. Se observa tanto en el perfil longitudinal de la va comoen la seccin transversal, que se requieren cunetas por ambos costados. La cuneta delcostado izquierdo recibe el rea aferente del talud de corte, mientras que la cuneta dellado derecho recibe el rea de toda la calzada (la pendiente de bombeo es en un solosentido hacia el costado derecho), el rea del talud de corte y el rea de la ladera, lacual se delimita en la planta, pues no se proyecta zanja de coronacin. La pendientelongitudinal de la va en el tramo es de 11%.


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En la Referencia 4.27 se recomienda que las zanjas de coronacin seantotalmente impermeabilizadas10 para evitar infiltraciones que puedan afectarel talud de la va y que la impermeabilizacin se complemente con uncorrecto mantenimiento en el que, cuando menos cada dos aos, se reparen

las fisuras y las grietas que se presenten.Las zanjas en el pie o base de los terraplenes captan las aguas que escurrenhacia los terraplenes, protegindolos de la erosin, y captan tambin lasaguas de la cuneta de terrapln.

El recubrimiento de este tipo de zanjas se debe decidir en funcin de lavelocidad del flujo y del tipo de suelo pues, como se ha mencionado, ensuelos permeables las infiltraciones pueden llegar a desestabilizar lostaludes.

4.3.1. LocalizacinLa separacin mnima recomendada para las zanjas de coronacin es detres metros (3.0 m) desde el borde de la corona del talud (Figura 4.12), paraevitar que se convierta en activadora de un deslizamiento en cortes recienteso en una nueva superficie de falla (movimiento regresivo) en deslizamientosactivos; o se produzca la falla de la corona del talud o escarpe (Referencia4.28).

Figura 4.12. - Detalle de zanja de coronacin (Referencia 4.28)

En terrapln, las zanjas en el pie del talud se proyectan paralelas al mismo a

una distancia de 2.0 a 3.0 m, apilando el material excavado entre la zanja yel terrapln.

10Esta recomendacin es de uso obligatorio si el terreno es permeable.


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Figura 4.13. - Detalle de zanja en el pie del talud (Referencia 4.20)

4.3.2. Secciones tpicas

Las zanjas de coronacin o de pata del talud pueden ser trapezoidales o

rectangulares11. Al igual que en las cunetas, el caudal y las dimensiones seestiman con el mtodo racional y la expresin de Manning para una secciny un revestimiento seleccionados y una topografa dada.

El rea aferente a la zanja de coronacin incluye la hoya que por topografadrena directamente a la misma. Esta rea es medida sobre la cartografa ofotografas areas disponibles, o determinada a partir de la observacin delas caractersticas topogrficas de la zona. Esta ltima metodologa es usadaprincipalmente en zonas planas, donde la precisin de la cartografa no essuficiente.

Para las zanjas en el pie de terraplenes, adems del rea aferente por eltalud, se debe considerar el rea aferente de la ladera que drena hacia eltalud.

Generalmente, para las reas pequeas de drenaje, se recomienda unazanja rectangular de cuando menos 40 centmetros de ancho y 50centmetros de profundidad.

4.3.3. Descoles: corrientes naturales, pocetas o cajas colectoras

Las zanjas localizadas en el pie de los taludes descolan sus aguas a las

corrientes que cruzan bajo la va mediante alcantarillas, siguiendo lasmismas recomendaciones dadas para el descole de cunetas.

11Las secciones triangulares no son recomendables por crear un plano preferencial paracirculacin del agua (Referencia 4.20)


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En cuanto a su alineamiento vertical, en general las alcantarillas debenconservar la pendiente de la corriente o del terreno natural, pero si sta esmuy fuerte, se podr disminuir siguiendo los criterios expresados en elnumeral 4.4.6.3, considerando nuevamente las obras necesarias en la salida

para asegurar la continuidad y la entrega adecuada de las aguas. Asimismo,las alcantarillas se deben proyectar con una pendiente mnima que garanticesu autolimpieza.

4.4.2. Caudal de diseo

El caudal de diseo de la alcantarilla es el caudal que debe transportar laestructura. As, cuando la alcantarilla se requiere en el cruce de unaquebrada, el caudal de diseo se obtendr aplicando las metodologasdescritas en el Captulo 2 (mtodo racional, etc.). En el caso de alcantarillasque reciben cunetas, subdrenajes o bajantes, el caudal de diseo

corresponde a los caudales captados por las estructuras aferentes.Cuando se proyecta una batera de conductos iguales (igual dimetro, cota ypendiente), se puede asumir que el flujo o caudal se repartir uniformementeentre las tuberas. As, por ejemplo, si se proyectan dos tuberas, el caudalcirculante por cada una de ellas ser la mitad del caudal total de diseo.

4.4.3. Estructuras de entrada

4.4.3.1. Pocetas o cajas colectoras

Este tipo de estructura, as como su diseo, se describen en el numeral4.2.5.1.

4.4.3.2. Aletas, cabezotes y soleras

Los muros de cabecera o cabezotes y de aletas retienen el material delterrapln, protegindolo de la erosin y acortando la longitud de laalcantarilla, adems de dar estabilidad al extremo de la tubera al actuarcomo contrapeso ante posibles fuerzas de subpresin. Las aletas ayudan aguiar el flujo hacia la alcantarilla, mejorando su desempeo hidrulico. Suorientacin y su longitud se proyectan para asegurar la entrada del flujo alconducto. Atendiendo al criterio hidrulico, un ngulo de 45 es ideal para lasaletas (Referencia 4.19), pero se podr modificar para las condicionesespecficas en cada caso.

Las placas de solera protegen la tubera contra la erosin, facilitan la entradade agua al conducto y contrarrestan las fuerzas de subpresin.


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Figura 4.16. - Condiciones de flujo en alcantarillas (Referencia 4.9)


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Donde: Hwi: Carga a la entrada, en metros (m).

D: Dimetro, altura o flecha de la alcantarilla, en metros(m).

dc: Profundidad crtica, en metros (m).

Ke: Coeficiente de prdidas en la entrada

( )1-

A

Q

g2d-D0.5=K

2c

20.5

ce

[4.26]

Donde: Q: Caudal de diseo, en metros cbicos por segundo

(m3

/s).

Q0.5: Caudal correspondiente a un valor de Hw=0.5D, enmetros cbicos por segundo (m3/s) (calculado con laecuacin de regresin para su lmite inferior)

Ac: rea de la seccin transversal con el caudal crtico, enmetros cuadrados (m2).

Vc: Velocidad a la profundidad crtica, en metros porsegundo (m/s).

g: Aceleracin de la gravedad (g = 9.81 m/s2).

Cvh: Coeficiente de la cabeza de velocidad, calculado como:

Cvh=1- Qfrac

1+V22g Qfrac

[4.27]

Qfrac=

0.15Q0.5- Q

0.15Q0.5 [4.28]

Donde: V: Velocidad media, en metros por segundo (m/s).

Vcorr: Velocidad corregida, en metros por segundo (m/s).


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V2corr2g

=[Qfrac0.5dc]+V22g Cvh [4.29]Donde: a,b,c,d,e,f: Coeficientes de regresin para cada tipo de

alcantarilla.

F: Q/D2.5 para alcantarillas circulares y Q/(BD1.5) paraalcantarillas de cajn o arco.

B: Luz de la alcantarilla, en metros (m) (paraalcantarillas circulares B=D).

S: Pendiente del conducto de la alcantarilla, en metrospor metro (m/m).

Z: Factor de conversin a unidades mtricas,z=1.81130889

K: Coeficiente basado en el caudal y la altura o flechade la alcantarilla.

2.5D

Q=k

3.0 [4.30]

Donde: Q3.0: Caudal correspondiente a un valor de Hw=3.0D, enmetros cbicos por segundo (m3/s) (calculado con laecuacin de regresin para su lmite superior).

Los coeficientes de regresin para los conductos y tipos de entrada msempleados en Colombia, se presentan a continuacin:


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Las anteriores ecuaciones se encuentran resueltas de manera grfica en unrango de Hw/D > 0.3 en los nomogramas incluidos en la Referencia 4.9, loscuales han sido convertidos a unidades mtricas y se presentan a

continuacin

15

:

TIPO DE OBRA

SOLUCINGRFICA (bacos)LAMINA ESCALA

He/D

SOLUCINANAL TICA

CDIGO

TIPO DEARISTA

DUCTOPROLONGADO

SIN MUROFRONTAL

DUCTOCORTADO ABISEL CON O

SINREV.TALUD

CABEZOTE

CON O SINALETAS

Tubocircular deconcretoprefabricado

Figura 4.18 (1) 1 Viva - - = 90 30 75

Figura 4.18 (2) 2 Ranurada* - - = 90 30 75

Figura 4.18 (3) 3 Ranurada* SI - NoSin muro ni

aletas

Alcantarilla

de cajn deconcretoconstruidoen sitio.

Figura 4.19 (1) 7 Viva - - = 90 30 75Figura 4.19 (2) 8 Viva - - = 90 = 1590Figura 4.19 (3) 9 Viva - - = 90 = 0

Figura 4.19 (4) 10 Biselada - - = 90 = 45

Figura 4.17. - Clasificacin de alcantarillas segn condiciones de entrada paraclculo de Hw con control a la entrada (Referencia 4.19)

15Estos nomogramas fueron elaborados para una pendiente de la alcantarilla (S) de 2%.


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Figura 4.18. - Alcantarillas circulares de concreto con control a la entrada(Referencia 4.19)


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Figura 4.19. - Alcantarilla de cajn de concreto con control a la entrada(Referencia 4.19)


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Tabla 4.4. - Expresiones para el clculo de las prdidas por friccin

TIPO DE FLUJO ECUACIN OBSERVACIONES

A tubo lleno Hf=L QnARh0.672

[4.33] Ecuacin de Manning

Como canal abierto L)(S=H=H fff [4.34] Mtodo del paso estndar

Parcialmente llenoCombinacin de las ecuaciones

[4.33] y [4.34]Combinacin de ecuaciones

Donde: Q: Caudal de diseo, en metros cbicos por segundo (m3/s).

n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

A: rea mojada, en metros cuadrados (m2).

Rh: Radio hidrulico, en metros (m).

L: Longitud del conducto conteniendo el flujo a tubo lleno, enmetros (m).

Sf: Pendiente de friccin, en metros por metro (m/m).

S0: Pendiente de la alcantarilla, en metros por metro (m/m).

L: Cambio incremental en la longitud, en metros (m).

He: Prdida a la entrada, en metros (m).

He depende de la forma de la alcantarilla y de la geometra de los bordes dela entrada y se expresa como un coeficiente Ke veces la cabeza de velocidaden la entrada de la alcantarilla:

g2VK=He

2

e [4.35]

Valores del coeficiente de prdidas a la entrada Ke se presentan en la Tabla4.5


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Tabla 4.5. - Coeficiente de prdidas a la entrada (Referencia 4.19)

TIPO DE ESTRUCTURA Y CARACTERSTICAS DE LAENTRADA

Ke

1. Tubos de hormignConducto prolongado fuera del terrapln

-arista ranurada-arista viva

Con muro de cabecera con o sin aletas-arista ranurada-arista viva-arista redondeada (r=1/12 D)-arista biselada

0.20.5

0.20.50.20.2

2. Tubos circulares de metal corrugadoConducto prolongado fuera del terrapln

-sin muro de cabecera-con muro de cabecera perpendicular al eje del tubosin o con aletas y aristas vivas

-con muro de cabecera perpendicular al eje del tubocon o sin muro de aristas biseladas

0.9

0.5

0.253. Alcantarillas de cajn en concreto reforzado con muro de

cabecera paralelo al terrapln:-sin aletas, y bordes de aristas vivas-bordes aristas redondeadas (r=1/12 D) o biseladas

Con aletas formando ngulos entre 30 y 75 con el eje delconducto:

-bordes de aristas vivas-bordes del dintel con aristas redondeadas (r=1/12D) o biseladas-con aletas formando ngulos entre 10 y 25 con eleje del conducto, y aristas vivas.

-con muros de ala paralelos y aristas vivas en eldintel-con muros de ala alabeados y aristas redondeadas(r=1/4 D) en el dintel.

0.50.2

0.4

0.2

0.5

0.7

0.2

g2

V1.0=H

2

S [4.36]

Donde: Hs: Prdida a la salida, en metros (m).

V: Velocidad media del flujo en la salida de la alcantarilla, en

metros por segundo (m/s).

La suma de las prdidas Hf+ He + Hs para la condicin de tubo lleno seencuentra dentro de los nomogramas de la Referencia 4.9, pero no seincluyen por tratarse de clculos de ejecucin directa.


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La concentracin de caudal en las alcantarillas con respecto al drenajenatural resulta, por lo general, en un incremento de las velocidades en eldescole, por lo que estas velocidades tambin deben ser calculadas paradeterminar la necesidad de proteccin contra la erosin

4.4.6.2. Arrastre de sedimentos

En las zonas en las cuales el arrastre de sedimentos por parte de la corrientees muy alto o las pendientes son muy altas e inestables y existendesprendimientos de detritos y rocas de gran tamao, existen diferentescriterios para dimensionar las alcantarillas. El primero, consiste en proyectaruna estructura de mayor tamao a los requerimientos hidrulicos, quepermita el paso de los materiales de arrastre; el segundo consiste enconstruir en la corriente o quebrada, aguas arriba de la estructura, una obrade retencin del material de arrastre y el tercero consiste en reemplazar la

alcantarilla por un pontn de glibo suficiente para el paso del material. Laseleccin de una de estas alternativas se debe realizar a partir de lassoluciones factibles para el caso especfico y de un anlisis de sus costos.

Por otra parte, si por capacidad hidrulica se proyecta ms de un conductode forma paralela, se debe considerar el problema que se origina en lostabiques de separacin de los conductos17, pues en esta zona se acumulansedimentos que pueden disminuir la capacidad hidrulica de la alcantarilla.Para reducir este problema, se pueden instalar los conductos a diferentealtura, de manera que se concentren el flujo y los sedimentos por el conductoms bajo, dejando el otro conducto menos expuesto a la acumulacin desedimentos y basuras (Referencia 4.9).

Estas estructuras mltiples son recomendables, entonces, cuando el arrastrede sedimentos es bajo y no se deben emplear si los materiales de arrastreson bolos o cantos rodados.

4.4.6.3. Pendiente del conducto o tubera

La pendiente hidrulica de las alcantarillas se debe encontrar, en lo posible,entre 0.5% y 5%18, pudiendo alcanzar valores tales que no produzcanvelocidades superiores a la admisible de acuerdo al material del conducto oque comprometan la estabilidad de la obra. Como recomendacin, es

17La separacin de tubos entre caras externas en colocaciones mltiples deber ser demedio dimetro, con un valor mnimo de 0.60 m (numeral 661.4.3 de la especificacinINVIAS 661) y mximo de 1.0 m, para permitir la compactacin del material de relleno(Referencia 4.19).

18 La pendiente usual en alcantarillas es 2%.


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necesario anclar la tubera mediante dentellones a partir de una pendiente de20% (Referencia 4.19).Para pendientes superiores a la mxima permisible de acuerdo al criterio develocidad, la alcantarilla se deber proyectar como una estructura disipadora

ya sea con un fondo liso y estructura de disipacin o con un fondoescalonado.

La seleccin de estas ltimas alternativas debe ser analizada desde lospuntos de vista constructivo y de costos y comparada con la proyeccin depontones, obras en que la pendiente de la corriente no es modificada.

4.4.6.4. Recubrimiento y longi tud del conducto

En la determinacin de la seccin transversal de una alcantarilla entran enconsideracin factores de recubrimiento y de mantenimiento. Para tuberas,

el recubrimiento mnimo recomendado a clave es de 1.0 m, profundidad quesumada al dimetro mnimo de 0.90 m, implica una altura de descole oterrapln de cuando menos 2.0 m, profundidad difcil de alcanzar en zonasde terraplenes bajos o de topografas planas. En estos casos, el empleo dealcantarillas de cajn, con bajos recubrimientos, resulta ms conveniente.

De igual manera, en conductos de gran longitud, como aqullos que sepresentan bajo terraplenes de gran altura o gran ngulo de sesgo, la tuberade dimetro 0.90 m resulta complicada en su mantenimiento, requirindoseuna estructura que permita la entrada de personas y equipos, por lo cual serecomienda una altura mnima de 2.0 m.

4.4.7. Socavacin en alcantarillas

Durante las crecientes, en las entradas y salidas de las alcantarillas seproducen vrtices y remolinos que erosionan y socavan el talud o el terrenobajo la alcantarilla, por lo que en las placas de solera, tanto de la entradacomo de la salida, es necesario proyectar dentellones en los extremos. Losclculos de esta socavacin se presentan en el Captulo 6 de este Manual.

4.4.8. Modelacin hidrulica: software HY8

4.4.8.1. Descripc in

El HY8 es una coleccin de programas desarrollada por la FEDERALHIGHWAY ADMINISTRATION (FHWA) para ayudar en el anlisis y el diseode alcantarillas. Se compone de cuatro mdulos: uno de anlisis dealcantarillas; dos mdulos de generacin y trnsito de hidrogramas y uncuarto mdulo para el diseo de estructuras de disipacin de energa.


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Ejemplo

Se requiere disear el cruce de una corriente de agua localizada en el K45+130. Estacorriente tiene un caudal de 3.11 m3/s para un perodo de retorno de 20 aos, una

pendiente aguas abajo del 1% y su seccin se puede asemejar a un trapecio de base 2m y taludes laterales 1V:1H. El material de la quebrada es predominantemente tierra,con un coeficiente de rugosidad n=0.035.

Como se observa en la siguiente figura, la alcantarilla se proyecta con un ngulo desesgo horizontal de 81, el cual corresponde a la orientacin natural de la quebrada conrespecto a la va. En cuanto a su alineamiento vertical, la alcantarilla se proyectainicialmente siguiendo la pendiente natural de la quebrada, es decir, 14.35%.

Tanto la estructura de entrada como la de salida, se proyectan con un muro de cabezotey aletas, con un ngulo de 45.

Solucin

Para el diseo de la alcantarilla se emplea el software HY-8, cuya pantalla para entradade datos se presenta en la figura que se incluye a continuacin. Los datos correspondena la informacin geomtrica de la va, de la alcantarilla y a los caudales.


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Con las nuevas caractersticas de la alcantarilla, mostradas en la figura anterior, elfuncionamiento hidrulico arrojado por el software HY-8 es el siguiente:

El flujo en la alcantarilla contina siendo supercrtico con control a la entrada, llegando elvalor de Hw a 0.92 m, con lo que Hw/D=0.46, lo que aparentemente podra significar elsobredimensionamiento de la seccin; sin embargo, si se considera el arrastre deslidos y el mantenimiento de la estructura, la estructura es adecuada.

La velocidad en la salida de la alcantarilla es de 5.04 m/s, apropiada para concretosconvencionales.

Como obra complementaria para proteccin del talud y disipacin de energa, esnecesario proyectar a la salida de la alcantarilla, una rpida escalonada.


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4.5. PUENTES

4.5.1. Localizacin

Para obtener una estructura econmica y segura es necesario analizar lossiguientes aspectos en su localizacin:

El lugar de implantacin del puente debe ser estable, es decir, que el rono modifique su cauce con efectos negativos para la estructura.

Es deseable localizar el puente en un tramo del cauce relativamenterectilneo con un cauce principal estrecho pero de gran capacidadhidrulica, sin desbordamientos.

Es deseable, tambin, que el puente sea normal a la corriente. En casode presentar un sesgo, los estribos y las pilas se deben alinear demanera que ofrezcan la menor resistencia al flujo.

4.5.2. Caudales de diseo

El caudal de diseo de un puente se calcula en funcin del tamao de sucuenca aferente y de la informacin disponible, aplicando las metodologas yperodos de retorno descritos en los numerales 2.4. y 2.5 del Captulo 2.

4.5.3. Informacin de terreno para diseo

4.5.3.1. Topogrfica y/o batimtrica

Considerando que el anlisis hidrulico del ro se realiza asumiendo unaseccin de control, cuya localizacin presenta incertidumbre la mayora delas veces, sta se debe localizar lo suficientemente lejos para que no influyaen el nivel de agua en el puente22.

Por otra parte, el anlisis hidrulico debe analizar el remanso generado haciaaguas arriba y sus efectos sobre el rgimen de flujo previo a la construccindel puente.

Atendiendo a estos criterios, se debe tomar la siguiente informacintopogrfica:

22En la Referencia 4.14 se indica una distancia mnima entre el puente y el punto donde secoloca la seccin de control, L=H/i, donde H es la profundidad en la seccin de control e i esla pendiente.


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Levantamiento topogrfico del ro en una longitud igual a 10 veces elancho (6 veces aguas abajo y 4 veces aguas arriba) caracterizando lasorillas y el cauce mediante secciones transversales al eje del ro. Estalongitud podr ser modificada segn existan condiciones que controlen el

flujo: cascadas, cadas, confluencias, desembocaduras, estructuras, etc.Las secciones transversales deben abarcar toda la zona hasta la cualpuedan llegar los niveles de agua para los caudales de diseo. Laseparacin entre secciones puede ser igual a una vez el ancho de laseccin, pero tambin se debern tomar secciones donde cambien laplanta, el perfil o la seccin transversal y, naturalmente, por el eje delpuente.

Se deben investigar huellas de niveles de agua mximos, es decir la cotade la huella de la creciente mxima.

Se debe medir la pendiente hidrulica del ro. En la primera seccinaguas arriba y en la ltima aguas abajo a una misma hora, se toma elnivel del agua dejando algn testigo de este nivel. Posteriormente senivelan ambos testigos y con ello se halla la cota del nivel de agua enambos extremos del ro, pudindose calcular la pendiente hidrulica.

De existir, se debe tomar la informacin altimtrica y planimtrica de lasestructuras existentes aguas arriba y aguas abajo de la seccin de cruce:puentes, bocatomas, defensas, etc..

4.5.3.2. Suelos

El lecho del cauce se caracteriza por su granulometra o distribucin defrecuencias acumuladas de los tamaos de las partculas que lo componen,la cual se establece pesando las fracciones de muestra que pasan undeterminado tamiz. Para materiales gruesos no es fcil determinar la curvagranulomtrica, por lo que se han desarrollado mtodos de muestreo, loscuales son:

Superficiales

Son aplicables cuando el inters es el de caracterizar la capa superficialdel material, por ejemplo, para establecer rugosidades de la corriente.Uno de los mtodos ms empleados es el de Wolman (Referencia 4.34),que se realiza por fuera del agua y consiste en seleccionar un rearepresentativa de las caractersticas del lecho, la cual se divide real oficticiamente en una malla y se extraen partculas individuales en 100vrtices de ella, midiendo en campo para cada partcula su eje intermedio


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Presencia de obstrucciones.

Confluencias o desembocaduras cercanas.

Altura, densidad y tamao de la vegetacin en el cauce y mrgenes. Huellas de crecientes mximas en el puente o zonas aledaas.

Tipo de flujo predominante y existencia de una seccin de control.

Indicios de socavacin si el puente existe.

Estabilidad de las mrgenes.

Existencia de estructuras o actividades sobre el ro que puedan influir ensu comportamiento.

Es necesario efectuar registros fotogrficos de las caractersticas hidrulicasobservadas en el terreno.

4.5.3.4. Diseo geomtrico y estructural

Para el diseo de un puente es necesario observar los accesos al puente,pues stos tambin forman parte del mismo y deben ser drenados.

Del rea de estructuras se requiere la implantacin planta-perfil del puente;

es decir, la ubicacin del puente y de sus elementos (infraestructura ysuperestructura) en la planta del proyecto y una seccin transversal por eleje, donde se observen el terreno y los elementos del puente.

4.5.4. Estimacin de los niveles de agua

4.5.4.1. Seleccin del coeficiente de rugosidad

La determinacin del coeficiente de rugosidad de Manning es un pasofundamental en el anlisis hidrulico, pues a partir de su estimacin sedeterminan las propiedades hidrulicas en la seccin de cruce del puente.

Dentro de la rugosidad de un ro, adems de la rugosidad superficial de losgranos de material que conforman el permetro mojado, influyen tambin lossiguientes factores (Referencia 4.33):


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1) La vegetacin, caracterizada por su altura, densidad y distribucin: escomo una clase de rugosidad superficial que puede reducir la capacidadde la corriente y retardar el flujo.

2) Irregularidades del canal: las irregularidades en el permetro mojado y las

variaciones en la seccin transversal introducen irregularidadesadicionales al flujo.

3) Alineamiento del canal: curvas suaves con radios grandes disminuyen elvalor de n, mientras que meandros y curvas bruscas incrementan estevalor.

4) Sedimentacin y socavacin: en general, la sedimentacin disminuye elvalor de n, mientras que la socavacin lo incrementa.

5) Obstrucciones de piedras, troncos o puentes: las obstrucciones tienden aaumentar el valor de n en funcin del tamao, la forma, el nmero y ladistribucin de las obstrucciones.

6) Nivel y caudal: en la mayor parte de las corrientes, el valor de ndisminuye con el incremento de los niveles y los caudales.

7) Cambio estacional: en ciertas pocas del ao existe un incremento de lavegetacin, con el consecuente incremento de la rugosidad.

8) Material en suspensin y carga del lecho: el material en suspensin y lacarga de lecho consumen energa, originando una prdida de altura y, porlo tanto, un aumento en la rugosidad.

La metodologa recomendada es el mtodo de Cowan23 en el que seestablece el coeficiente de rugosidad a partir de las caractersticas del cauce(Referencia 4.33):

543210 m)n+n+n+n+(n=n [4.37]

Ecuacin en la cual n0 corresponde a la rugosidad del material del cauce ylos restantes factores que afectan el coeficiente de rugosidad son:irregularidades en la superficie (n1); cambios de forma y tamao de la

seccin (n2); obstrucciones (n3); vegetacin y condiciones de flujo (n4) yestructura de los meandros (m5). El aporte de cada factor en el coeficiente derugosidad total se establece a partir de las condiciones particulares de cadapuente, como se muestra en la Tabla 4.6.

23Una detallada descripcin del mtodo de Cowan se encuentra en la Referencia 4.32


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Los valores de rugosidad del cauce (n0) en funcin del tamao del dimetrocaracterstico, se pueden obtener tambin, entre otras, a partir de lassiguientes expresiones: Ecuacin de Garde & Raju (1978), Subramanya (1982):

61

50D0.047=n [4.38]

Donde: D50: Dimetro para el cual pasa el 50% de las partculas, enmetros (m).

Ecuacin de Strickler:

61

50D0.0417=n [4.39]

Donde D50 tiene el mismo significado que en la ecuacin 4.38.

Tabla 4.6. Valores para el clculo de la rugosidad mediante el mtodo de Cowan(Referencia 4.33)


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Ecuacin de Meyer-Peter-Muller (1948):

61

90D0.038=n [4.40]

Donde: D90: Dimetro para el cual pasa el 90% de las partculas,en metros (m).

Ecuacin de Bray (1979):

16.0

50D0.0495=n [4.41]


Ecuacin de Lane y Carlson:

61

75D0.0473=n [4.42]


Otra de las metodologas para comparar los valores de rugosidad finalmenteobtenidos por el mtodo de Cowan o asignarlos directamente es a partir detablas o fotografas, como las presentadas en la Referencia 4.33, de la cualse ha extrado la Tabla 4.7.


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Tabla 4.7. - Valores del coeficiente de rugosidad n


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4.5.4.2. Anlis is hidrulico

El anlisis hidrulico de un puente busca determinar el perfil de la superficiedel agua para la creciente de diseo, informacin a partir de la cual se

establece:1. El glibo de la estructura.

2. El impacto aguas arriba o remanso generado por el puente y

3. Las distribuciones del flujo y la velocidad para la estimacin de lasocavacin potencial y con ello la cota de cimentacin de lainfraestructura.

El clculo del perfil de agua se realiza aplicando el mtodo del pasoestndar, considerando las prdidas por expansin y contraccin a travs delpuente, las cuales se calculan para la condicin de bajos caudales (lminade agua por debajo del punto ms alto del canto inferior de las vigas delpuente) y altos caudales (lmina de agua en contacto con el punto ms altodel canto inferior de las vigas del puente).

Las metodologas de clculo de prdidas a travs del puente, para lascondiciones de caudal bajo, son las siguientes24:

1) Paso estndar.

La lmina de agua en el extremo aguas arriba del puente se estimaaplicando el mtodo de paso estndar.

2) Balance de momento.

Se desarrolla un balance de momento entre las secciones extremas delpuente.

3) Prdidas de contraccin de la FHWA WSPRO.

Es un mtodo iterativo que calcula la superficie del agua a travs delpuente resolviendo la ecuacin de energa.

24Dentro de este manual nicamente se mencionan las metodologas empleadas en elsoftware HEC-RAS. Si se desea mayor informacin, se puede consultar el manual dereferencia hidrulica del programa HEC-RAS (US Army HEC, 2008).


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4) Ecuacin emprica de prdida de energa de Yarnell.

Esta ecuacin emprica predice el cambio de la superficie del agua entrela seccin aguas abajo del puente y la seccin aguas arriba y se basa en

unos 2600 experimentos de laboratorioCuando se presenta un condicin de flujo de caudales altos, el perfil de flujose calcula con el mtodo del paso estndar o asumiendo flujo a presin y/ocomo vertedero.

4.5.4.3. Glibo

El glibo es la menor distancia entre la lmina de agua correspondiente alcaudal de diseo y el canto inferior de las vigas del puente. El Manual dediseo geomtrico del INVIAS (Referencia 4.12) seala en su seccin 7.1.1.Glibo, los siguientes valores:

Sobre corrientes de agua relativamente limpias en toda poca: mnimodos metros (2.00 m) por encima del Nivel de Aguas MximasExtraordinarias (N.A.M.E.).

Sobre corrientes de agua que en algunos perodos transportan desechos,troncos y otros objetos voluminosos: mnimo dos metros con cincuentacentmetros (2.50 m) por encima del N.A.M.E.

Sobre cursos hdricos navegables. Depender del calado mximo denavegacin, por lo que el valor debe ser definido por el Ministerio deTransporte.

4.5.4.4. Afectaciones al rgimen existente

Cuando el puente obstruye la corriente, situacin no deseable, origina unimpacto sobre el perfil de la superficie de agua, produciendo un remansohacia aguas arriba (ver Figura 4.20), en especial cuando el flujo es subcrtico,pero si el flujo es supercrtico y la contraccin que origina el puente essevera, se puede llegar a formar un resalto hidrulico en cercanas delpuente.

Estas modificaciones en el rgimen de la corriente deben ser analizadasmediante la comparacin de los escenarios o situaciones sin puente y conpuente, de manera que se establezca la afectacin que origina el nuevopuente a predios y estructuras (otros puentes, bocatomas, diques, vas, etc.).


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Figura 4.20. - Remanso generado por un puente que estrecha la seccin de lacorriente (Referencia4.14)

4.5.5. Alcances de diseo para pontones

Para los pontones, puentes con luz menor a 10 m (Referencia 4.12), eldiseo hidrulico se puede realizar bajo la suposicin de flujo uniforme, por loque la informacin topogrfica y de suelos puede ser limitada y el anlisiscomprende la estimacin de los niveles de la lmina de agua y el clculo dela socavacin esperada.

4.5.6. Modelacin hidrul ica: software HEC-RAS

Descripcin

El programa HEC-RAS desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros delEjrcito de los Estados Unidos de Amrica es un sistema integrado desoftware para anlisis hidrulico de redes de canales naturales yartificiales.

En su versin 4.0, contiene 4 mdulos para el anlisis unidimensional deros: Uno para el clculo de perfiles de flujo en rgimen permanente, otropara la simulacin de flujo no permanente, un tercero para el clculo de


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transporte de sedimentos y lecho mvil y un cuarto de calidad de aguas(Referencia 4.30).

Capacidades

Con respecto al mdulo de clculo de perfiles en flujo permanente, stese realiza bajo la condicin de flujo gradualmente variado, modelandoregmenes subcrtico, supercrtico y mixto. El procedimiento de clculo sebasa en la solucin unidimensional de la ecuacin de energa25,considerando prdidas de energa por friccin, contraccin y expansin.

El programa modela, tambin, el efecto de obstrucciones en la redhdrica, como puentes, alcantarillas26, vertederos y otras estructuras,pudiendo aplicarse para el anlisis de inundaciones (en que no hayvariaciones de flujo en tiempo y en espacio), mejoras en el canal, diques,etc.

Del mdulo de transporte de sedimentos y clculo de lecho mvil, seresalta la capacidad del HEC-RAS para calcular socavacin en puentes(Ver Captulo 6).

Las limitaciones de este mdulo son las siguientes:

El caudal es constante con respecto al tiempo.

El flujo es gradualmente variado, excepto cuando se usa la ecuacinde momento u otras ecuaciones empricas en ciertas estructuras

hidrulicas. El flujo es unidimensional.

Las pendientes son bajas, menores de 10%. 27

Las capacidades del HEC-RAS para los otros mdulos pueden serconsultadas en los documentos de referencia del programa.

25La ecuacin de momento tambin es empleada en las situaciones en que se presenta flujorpidamente variado, tales como resaltos, confluencias, etc..

26Las alcantarillas son modeladas dentro del HEC-RAS como puentes, incorporando losresultados para flujo con control a la entrada del documento HDS 5 (Referencia 4.9). Puedemodelar condiciones de flujo con control a la entrada, con control a la salida yadicionalmente al HY 8 modela tambin alcantarillas horizontales y con pendiente adversa.27Esta restriccin se basa en el hecho de que en el clculo de la cabeza de presin vertical(d cos) se ha tomado el cos=1, lo cual es aceptable hasta pendientes del 10% (5.71).Para pendientes superiores, las profundidades calculadas por el HEC RAS se encuentranequivocadas y deben ser corregidas dividindolas por el cos.


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Datos de entrada

Geomtricos: conectividad del sistema, secciones transversales, longitudentre tramos, coeficientes de friccin, de expansin y de contraccin,

informacin sobre unin de corrientes, estructuras hidrulicas.Flujo permanente: rgimen de flujo (subcrtico, supercrtico o mixto),condiciones de frontera, caudal pico.

Obtencin

Este programa y los manuales son de dominio pblico y se puedendescargar gratuita y libremente de las siguientes URL:

http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html, http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-document.html

4.5.7. Socavacin

El anlisis hidrulico de un puente finaliza con el clculo de la socavacinesperada en estribos y pilas, pues ello determina la cimentacin del puente.Las metodologas para la ejecucin de estos clculos se presentan en elCaptulo 6.

Ejemplo

PRIMERA PARTE.

Para el anlisis hidrulico de un puente sobre un ro de gran magnitud se dispone de lasiguiente informacin:

Hidrolgica. Caudal de diseo de 1,060 m3/s, para un perodo de retorno de 100aos. Tambin se dispone de 40 aforos realizados en una seccin transversalcercana al punto de cruce, dentro del tramo considerado.

Topogrfica. La corriente, con un ancho medio de 150 m, fue analizada en unalongitud de 1,500 m; 1,000 m aguas abajo y 500 m aguas arriba del puente. Laseccin transversal inicial es la -1000, que corresponde a la ms aguas abajo, la

seccin transversal del puente proyectado es la 0 y la ms aguas arriba es laseccin 500. La geometra de las secciones cerradas se tom de la topografa ybatimetra elaboradas dentro del proyecto

Tambin se midi la pendiente hidrulica del ro, obteniendo un valor de 0.00013 m/m.
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.htmlhttp://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-document.htmlhttp://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-document.htmlhttp://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html


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Hidrolgica. Caudal de diseo de 1,060 m3/s, para un perodo de retorno de 100aos. Tambin se dispone de 40 aforos realizados en una seccin transversalcercana al punto de cruce, dentro del tramo considerado.

Suelos. Se tomaron muestras del material del cauce del ro y de las orillas izquierday derecha, las cuales presentan la granulometra mostrada en la siguiente figura


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Estructuras. La alternativa bajo anlisis consiste en un puente de de luz total de 240m, distribuidos en dos luces laterales de 72 y 66 m y una luz central de 102 m,localizndose la pila izquierda dentro del ro. El ancho del tablero es de 8.30 m y elcanto inferior de la viga se encuentra en la cota 45 msnm.

1. Para realizar la modelacin hidrulica del puente, el primer paso es determinar elcoeficiente de rugosidad, el cual se realiza aplicando el mtodo de Cowan,analizando los aforos existentes y los valores dados en la literatura especializadapara cauces de condiciones similares.

Los clculos realizados a partir de la granulometra de las muestras se presentan enla tabla siguiente:

Dimetros caractersticos y coeficientes de rugosidad

ORILLAIZQUIERDA

CAUCEORILLA

DERECHA

DIMETROS CARACTERSTICOS:

Dimetro medio, dm (mm): 7.18 14.93 9.18

Dimetro D50 (mm): 2.00 13.21 5.24

Dimetro D75 (mm): 10.19 27.87 18.18

Dimetro D90 (mm): 23.43 34.01 30.62

Dimetro D95 (mm): 29.35 36.05 34.36

COEFICIENTES DE RUGOSIDAD, n:

Ecuacin de Garde&Ranju,Subramanya: 0.017 0.023 0.020

Ecuacin de Strickler 0.022 0.030 0.026

Ecuacin de Meyer-Peter-Muller: 0.020 0.022 0.021

Ecuacin de Bray: 0.018 0.025 0.021

Ecuacin de Lane y Carlson: 0.022 0.026 0.024

Considerando que el material del cauce es esencialmente arena, se toma uncoeficiente de rugosidad bsico no=0.020, tanto para el cauce como para las orillas

izquierda y derecha.

A partir de las condiciones del ro, observadas en el terreno, los dems factores queinfluyen en la seleccin del coeficiente de rugosidad se valoran tal y como se tabulana continuacin:


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Coeficiente de rugosidad de Manning por el mtodo de Cowan

FACTORMARGEN

IZQUIERDOCAUCE CENTRAL

MARGENDERECHO

MaterialInvolucrado

n0 Arena 0.020 Arena 0.020 Arena 0.020

Grado deIrregularidad

n1 Menor 0.005 Menor 0.005 Menor 0.005

Variacionesseccintransversal

n2 Ocasional 0.005 Ocasional 0.005 Ocasional 0.005

Obstrucciones n3 Menor 0.010 Menor 0.005 Menor 0.010

Vegetacin n4 Baja 0.005 Baja 0.005 Baja 0.005

Meandros n5 Menor 1.00 Menor 1.00 Menor 1.00

Rugosidad deManning

n 0.045 0.040 0.045

Por otra parte, los valores estimados del coeficiente de rugosidad n de Manning, apartir de los registros de aforos son los siguientes:

Valor promedio: 0.024

Valor mediana: 0.023

Valor mximo: 0.040

Valor mnimo: 0.018

Valor para el caudal ms alto (Q =836.82 m3/s, aforo 15 octubre 2001): 0.019

La revisin de la literatura especializada (Referencia 4.33) recomienda para rossimilares al estudiado, valores de rugosidad entre 0.030 y 0.050.

Se tiene entonces un anlisis granulomtrico con valores de n entre 0.020 y 0.030,un anlisis de aforos que arroja rugosidades entre 0.018 y 0.040 y unos anlisistericos con valores del coeficiente de rugosidad entre 0.030 y 0.050, con un valormedio de 0.040 para el cauce y 0.045 para las mrgenes.

Puesto que los aforos incluyen valores altos de caudal, se asumen los resultados del

clculo del coeficiente de rugosidad obtenidos a partir de esta informacin, por lo quese toma un valor de n=0.025 en el cauce y n=0.035 en las mrgenes laterales.

2. Con la informacin de carcter hidrolgico y topogrfico es posible realizar elanlisis hidrulico del puente, determinando inicialmente el perfil del flujo en el ro.

Para este clculo se emplea el software HEC-RAS, con los siguientes datos deentrada:


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Rgimen del flujo: El programa HEC-RAS permite calcular de manerasimultnea flujo de tipo mixto; es decir, considerndolo subcrtico o supercrtico.

Altura en la seccin transversal inicial o final (para la consideracin de rgimen

subcrtico y supercrtico respectivamente): calculada a partir de la pendiente deenerga considerada generalmente igual a la pendiente del agua, es decir0.00013 m/m.

Caudal: correspondiente a 1,060 m3/s.

Coeficientes de prdidas de energa, n de 0.025 y 0.035.

Coeficiente de contraccin =0.1

Coeficiente de expansin: 0.3

Geometra de las secciones transversales a partir de los datos de loslevantamientos batimtricos y topogrficos. Se interpolan secciones para

mejorar la precisin de los clculos.Los resultados de la modelacin hidrulica, para la seccin del puente, se resumen acontinuacin y se presentan en la siguiente figura:

Profundidad lmina de agua: 7.01 m

Nivel lmina de agua: 41.65 msnm

Velocidad media del flujo: 1.39 m/s

Ancho superior: 219.79 m

Nmero de Froude: 0.17

El incremento de los niveles de agua por la presencia del puente es de menos de 5cm, es decir, el puente no afecta el rgimen natural del ro.

El glibo del puente es de 3.35 m, valor suficiente y por encima de lasrecomendaciones del Manual de Diseo Geomtrico de Carreteras del INVIAS.


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4.6. OBRAS COMPLEMENTARIAS

4.6.1. Diseo de canales

El diseo de un canal envuelve diferentes aspectos a considerar: La forma o seccin transversal la cual, bajo un punto de vista

exclusivamente hidrulico, debe ser ptima, es decir, que para un readeterminada se tenga el mayor caudal, lo que implica que la seccintenga el menor permetro mojado

Las pendientes de los taludes laterales, las cuales dependen del materialdel terreno en el que se construye el canal, ya sea en excavacin o enterrapln. Se sugieren los valores presentados en laTabla 4.8.

Tabla 4.8. - Taludes recomendados para canales (Referencia 4.7)

MATERIAL 1 V: z H

Roca 1: >1/4

Arcilla dura 1: (1/4 1)

Suelo margoso 1: 1 / 2

Tierra con revestimiento en roca 1:1

Arcilla firme 1:1

Arena 1:2Limos o arcilla porosa 1:3

La pendiente longitudinal del canal, que si bien es esencialmente funcinde la topografa, debe considerar tambin el propsito del canal (porejemplo en canales para riego y energa se busca la mnima prdida deenerga), los cortes y rellenos que se generan y las interferencias.

Las velocidades permisibles mximas y mnimas, para no erosionar elcanal ni favorecer procesos de sedimentacin o crecimientos vegetales.

Las velocidades mximas se presentan en la Tabla 4.9. En cuanto avelocidades mnimas, stas se definen entre 0.60 y 0.90 m/s.


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Tabla 4.9. - Velocidades y fuerza tractiva mximas permisibles (Referencia 4.19)

TIPO DE TERRENOAGUA CLARA

AGUA CONSEDIMENTOS

COLOIDALES (*)

V(m/s) (kg/m2) V(m/s) (kg/m2)Arena fina coloidal 0.45 0.13 0.75 0.37Limo arenoso no coloidal 0.50 0.18 0.75 0.37Sedimentos limosos 0.60 0.23 0.90 0.54Sedimentos aluviales no coloidal 0.60 0.23 1.00 0.73Limo 0.75 0.37 1.00 0.73Ceniza volcnica 0.75 0.37 1.00 0.73Arcilla dura 1.15 1.27 1.50 2.25Sedimentos aluviales coloidal 1.15 1.27 1.50 2.25Pizarras 1.80 3.27 1.80 3.27Grava 0.75 0.37 1.50 1.56Limo a ripio, suelo no coloidales 1.15 1.86 1.50 3.23Limo a ripio, suelo coloidal 1.20 2.10 1.60 3.91Grava gruesa 1.20 1.47 1.80 3.27Bolos 1.50 4.44 1.60 5.38

(*) Por partculas coloidales se entienden aquellas de dimetro menor a 2 micrones en las cuales losefectos de las fuerzas de superficie prevalecen sobre los de las fuerzas gravitacionales.

El coeficiente de rugosidad, el cual corresponde al tipo de material delcanal. En la Tabla 4.7 se presentan diferentes valores del coeficiente derugosidad n de Manning para canales.

El borde libre o altura desde el nivel de la superficie mxima del aguahasta la banca del canal se adiciona para contener las sobreelevaciones

que se generan por ondas, vientos, etc. Las ecuaciones para su clculo(Miln J ulio en Referencia 4.7), elaboradas a partir de las curvasrecomendadas por el U.S. Bureau of Reclamation, USBR son lassiguientes:

BL = 0.09Q + 0.41 para Q 2.3 m3/s [4.43]

BL=0.15 Ln(Q) + 0.47 para Q > 2.3 m /s [4.44]

Donde: BL: Borde libre, en metros (m).

Q: Caudal que transporta el canal, en metros cbicospor segundo (m3/s).

Muy relacionado con el anterior concepto, est el de la altura libre derevestimiento (AR) o distancia entre la superficie del agua y el nivel dondetermina el revestimiento. Nuevamente, las ecuaciones para su clculo


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(Miln Julio en Referencia 4.7) basadas en las recomendaciones delUSBR son las siguientes:

AR = 0.016 Ln(Q) + 0.16 para Q 5.1 m /s (AR en m) [4.45]

AR = 0.163 Ln(Q)-0.07 para Q > 5.1 m /s [4.46]

En la seccin se debe considerar, adicionalmente, la sobreelevacin quese genera en la margen exterior de las curvas y el correspondienteabatimiento de la margen interior

4.6.1.1. Canales s in revestimiento

El objeto del diseo de un canal no revestido es establecer la seccinestable, es decir, aqulla en que no hay socavacin ni sedimentacin.

Existen tres metodologas para su diseo: la de velocidad mxima permisible,la de fuerza tractiva y la teora de rgimen. Esta ltima metodologa,desarrollada por Lacey (ver Referencia 4.5) con base en los canalesconstruidos en India y Pakistn, no es tratada dentro de este manual.

Las dos primeras metodolo

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Manual de Drenaje Invias 2009 Cap. 4