Post on 29-Nov-2015
Villahermosa, Tab., 24 y 25 de mayo de 2012
Hidráulica, Hidrología y Drenaje aplicados a las Vías
Terrestres
M. en I. Gabriel Atala Barrero
Zacatecas, Zac. 14, 15 de febrero de 2013
M. en I. Gabriel Atala Barrero
gatalab@sct.gob.mx gab_atala@yahoo.com.mx
¿ CUAL ES EL PRINCIPAL
ENEMIGO DE LAS
CARRETERAS ?
EL AGUA
Y ENTONCES,
¿ PORQUE CON
FRECUENCIA SE
SUBESTIMA EL DISEÑO
HIDRAULICO DEL SISTEMA
DE DRENAJE DE LAS
CARRETERAS ?
Las obras de drenaje dan salida
rápida al agua que llega a las
carreteras, o reducen su ingreso
a ellas.
El diseño adecuado del sistema de
drenaje de las carreteras
proporcionará mayor seguridad a
los usuarios y reducirá los gastos
de conservación.
El drenaje deficiente puede provocar
graves daños; por ejemplo:
• Fallas de terraplenes, • Cortes de la carretera, • Destrucción de la superficie de rodamiento, • Pérdida de estabilidad de cortes, etc.
Las obras de drenaje superficial de las vías terrestres
se clasifican en:
Obras de drenaje transversal
Alcantarillas (obras de drenaje menor)
Puentes (obras de drenaje mayor)
Vados
Puentes – vado
Sifones invertidos
Obras de drenaje longitudinal
(obras complementarias de drenaje)
Cunetas
Contracunetas
Lavaderos
Bajadas
Guarniciones y bordillos
Bombeo transversal de la corona
Canales de encauzamiento
Las alcantarillas son obras de
drenaje transversal que tienen
claro menor de 6 m y por su
forma pueden ser de tubo, de
cajón, de bóveda, de losas
sobre estribos, sifones, etc. Las
estructuras con claro mayor de
6 m son tratadas como puentes.
En nuestro país se ha tenido la
costumbre de denominar a las
alcantarillas “obras menores”,
porque individualmente drenan
mucho menos caudal que los
puentes y también porque
individualmente cuestan mucho
menos que los puentes.
Estadísticamente se ha
determinado que el 97.5% de los
arroyos que cruzan las carreteras
drenan cuencas pequeñas, y en
su mayoría los cruces se
resuelven con obras de drenaje
menor.
Las obras complementarias de
drenaje captan y conducen el agua
de lluvia que escurre sobre la
corona del camino, o sobre las
laderas adyacentes (en caso de
secciones en balcón), hacia lugares
más apropiados, a fin de eliminarla
sin inundar o destruir el camino y
sus zonas adyacentes.
Los efectos destructivos del agua de
lluvia son evidentes en un camino que
no cuente con obras complementarias
de drenaje, o que en caso de tenerlas
funcionen incorrectamente. En efecto,
inmediatamente después de un intenso
periodo de lluvias, el panorama es
desolador.
Por tanto, las inversiones monetarias
que se destinen para construir o
mejorar los sistemas de drenaje de las
vías terrestres siempre son rentables.
Las obras de drenaje menor y
obras complementarias de drenaje
representan una inversión del
orden del 20% del costo total de
una carretera.
Posiblemente por los calificativos
“menor” y “complementarias” en
México, este tipo de obras de drenaje
se ha subestimado siendo en realidad
muy importantes, ya que constituyen
prácticamente la totalidad del
sistema de drenaje de las vías
terrestres.
Es necesario emplear otras palabras
que definan mejor lo que conocemos
hoy como obras de drenaje menor y
obras complementarias de drenaje.
Así, empezaría a dárseles la
importancia que realmente tienen.
La nueva Normativa SCT las
denomina:
• Obras para drenaje transversal.
• Obras para drenaje longitudinal.
Dos conceptos muy importantes a
tomar en cuenta en todo diseño
hidráulico de obras de drenaje son:
• El agua siempre sigue el camino
más fácil.
• Los cursos naturales de las aguas
deben alterarse lo menos posible.
Si no se respeta el drenaje
natural de la zona, las carreteras
pueden llegar a funcionar como
presas, si se desarrollan
perpendiculares a un arroyo, o bien
como bordos de protección
contra inundaciones, si se
desarrollan paralelas a un arroyo.
Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un
camino con escaso drenaje, construido perpendicular a un río.
Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un
camino sin drenaje, construido paralelo a un río.
Por lo antes expuesto, el drenaje de
las vías terrestres debe estudiarse
desde la elección de ruta,
procurando reducir al mínimo posible
los problemas de escurrimiento de
agua, y teniendo siempre presente
que una mala elección de ruta
invariablemente ocasionará mayores
costos de conservación.
Para el diseño racional de las
estructuras de drenaje, es
necesario realizar estudios
hidrológicos e hidráulicos, que
comentaremos en esta plática.
CLASIFICACION Y
DESCRIPCION DEL SISTEMA
DE DRENAJE
CUNETAS
LONGITUDINAL CONTRACUNETAS
(OBRAS COMPLEMENTARIAS) LAVADEROS
BAJADAS
GUARNICIONES
BOMBEO TRANSVERSAL
DE LA CORONA
CANALES DE
SUPERFICIAL ENCAUZAMIENTO
ALCANTARILLAS
PUENTES
TRANSVERSAL VADOS
PUENTES - VADO
SIFONES INVERTIDOS
SUBDRENAJES LONGITUDINALES EN ZANJAS
CAPAS PERMEABLES
SUBTERRANEO SUBDRENES TRANSVERSALES
TRINCHERAS ESTABILIZADORAS
CLASIFICACION DEL DRENAJE DE LAS VIAS TERRESTRES
CUNETAS:
Son canales que reciben el
agua pluvial de los cortes y
zonas adyacentes y de la
mitad del camino.
La ubicación de las cunetas, su
longitud y su pendiente quedan
condicionadas al proyecto geométrico
de la carretera.
Para su diseño hidráulico, se requiere
conocer el gasto que drenará la cuneta
y determinar la ubicación de sus
descargas para darle salida al agua y
se evite que inunde la superficie de
rodamiento.
CONTRACUNETAS:
Son canales que en
ocasiones es necesario
construir cerca de la parte
más alta de los cortes, para
evitar que los escurrimientos
reconozcan hacia las
paredes de éstos. Su descarga
se debe efectuar hacia el
cauce natural más cercano.
Ilustración de una zona que requiere la construcción de
contracunetas.
LAVADEROS:
Son obras que drenan el gasto de
cunetas hacia zonas bajas.
También son canales que se
construyen sobre los taludes de
terraplenes, para dar salida al
agua sin que éstos sean
erosionados. Pueden ser de
concreto simple, de mampostería
o de lámina.
Ejemplo de un lavadero en el talud de un
terraplén.
GUARNICIONES Y BORDILLOS:
Se colocan en los hombros
de terraplenes, en tramos
rectos y en el intradós de
curvas, para evitar la
erosión de los taludes.
BOMBEO TRANSVERSAL:
Es la pendiente transversal que
se da a la corona de terraplenes
para desalojar el agua pluvial que
cae sobre ella. Es muy importante,
ya que evita encharcamientos
sobre la superficie de rodamiento.
Las obras de drenaje transversal
son las que permiten que los
escurrimientos naturales crucen
de un lado a otro la carretera,
y las constituyen las alcantarillas
y los puentes.
ALCANTARILLAS:
Como ya se expresó antes, son
obras con claro menor de 6 m,
y por su forma pueden ser
de tubo, de cajón, de bóveda,
losas sobre estribos, etc.
PUENTES:
Son obras con claro mayor
de 6 m.
VADOS:
Son estructuras que se diseñan con el fin de dar paso a
escurrimientos pequeños sobre la corona de la obra vial.
Se localizan generalmente en curvas verticales en
columpio, es necesario dotarlos de un señalamiento
adecuado, donde principalmente se pueda observar la
altura del tirante de agua y poder transitar con seguridad
cuando exista corriente de agua.
Se diseñan a base de losas de concreto y dentellones o
también de mampostería.
El empleo de este tipo de estructuras se permite en
caminos de bajas especificaciones, es decir, para
caminos tipos “d” y “e”.
Se presentan a continuación
algunos lineamientos generales
para el proyecto y construcción
de las obras de drenaje
longitudinal y transversal de las
vías terrestres:
Gran parte de esta información se
presentó en el artículo:
ATALA, B.G., “Procedimiento para
diseño hidráulico de alcantarillas”,
“XV Reunión Nacional de Vías
Terrestres”, Pachuca, Hgo., México,
Julio 2004. (ref 1)
Las obras complementarias de
drenaje en zonas de cortes deben
construirse en el siguiente orden:
a) contracunetas
a) cunetas
a) lavaderos
Antes de construir cunetas es
necesario verificar que los cortes
sean estables, para evitar que éstas
se azolven o sean dañadas por el
impacto de caídos.
En ocasiones las cunetas son
obstruidas con rellenos para permitir
el paso de vehículos. Esto impide
que el agua reconozca hacia los
lavaderos y puede ocasionar que
desborde y escurra por la carpeta
asfáltica y la dañe.
Es necesario evitar la construcción
de canales adyacentes a la
superficie de rodadura, ya que
representan riesgos para los
usuarios.
Sin excepción, las contracunetas a
base de canales deben construirse
revestidas de concreto, para que
sean impermeables; el espesor del
revestimiento deberá ser de por lo
menos 4 cm.
Las contracunetas deben quedar
ubicadas a una distancia no menor de
6 m de la corona de los cortes, salvo
casos especiales en que por el tipo de
material del corte convenga retirarlas
más. El trazo que se realiza en campo
deberá ser de tal forma que la
contracuneta se vaya alejando del
camino, a fin de que su descarga no
lo afecte.
Las contracunetas requieren de un
trazo y localización adecuados.
En caso de que se cuente con planos
de topografía de detalle, deben
aprovecharse para localizar en forma
preliminar la trayectoria de las
contracunetas.
Las contracunetas se pueden construir
a base de bordos de mampostería
sensiblemente paralelos al
coronamiento del corte. Esta opción es
conveniente cuando existen en el suelo
afloramientos de roca, ya que si se
excavara se encarecería la obra.
El material para construir los bordos se
obtiene del lugar, fragmentando la roca
que aflora.
Antes de construir lavaderos es
indispensable garantizar la
estabilidad de los taludes de los
terraplenes. Si éstos han sufrido
erosión por el agua, es necesario
previamente restituir los materiales.
Los lavaderos deben descargar en
terreno natural, es decir, siempre
fuera de los taludes de los
terraplenes.
Los lavaderos deben construirse
normales a los ceros del terraplén
y no sesgados, para evitar que los
dañe el agua que escurre por el
talud.
Ejemplo de lavadero normal y lavadero sesgado.
Es necesario garantizar el anclaje de
los lavaderos y de sus umbrales. Los
lavaderos que carecen de anclaje
suficiente se desplazan, lo que
ocasiona grietas o fracturas en la
zona del umbral, y con ello,
infiltraciones de agua al cuerpo del
terraplén.
Las bermas de los cortes deben contar
con drenaje adecuado que incluya la
construcción de lavaderos en sus
extremos laterales. Es muy importante
mantener limpias las bermas, ya que de lo
contrario el agua, en vez de escurrir hacia
los lavaderos lo hará por la paredes de los
cortes, las erosionará y en ocasionaes
aportará un caudal excesivo de agua hacia
las cunetas.
Las deficiencias en el bombeo de la
superficie pavimentada provocan
que el agua escurra sobre el
pavimento a lo largo del camino, lo
que representa riesgos para los
usuarios.
Los bordillos son imprescindibles en
los casos en que el material de los
taludes de los terraplenes sea muy
erosionable.
Es necesario analizar el funcionamiento
de alcantarillas existentes en las cercanías
del cruce sobre la misma corriente,
recabando su antigüedad, niveles de agua
alcanzados, reparaciones que ha tenido,
daños que ha provocado, etc.
SE DEBE RESPETAR AL MAXIMO
POSIBLE EL CURSO NATURAL
DE LOS ARROYOS.
Debe considerarse siempre que las
corrientes tienden a reconocer hacia
sus cauces, que han sido labrados
por el agua durante muchos años.
Desde el proyecto de la subrasante
se debe asegurar que en los cruces
con arroyos los terraplenes tendrán
suficiente altura para permitir alojar
las alcantarillas con su entrada y
salida al nivel del cauce natural.
Al diseñar las alcantarillas se debe
procurar que trabajen a superficie
libre para el gasto de diseño.
El diámetro mínimo de alcantarillas
de tubo debe ser de 1.2 m, para
facilitar su mantenimiento.
La longitud de las alcantarillas
deberá ser tal que su entrada y
salida coincidan con los ceros del
terraplén de la carretera, salvo
casos especiales.
El nivel de la plantilla de las
alcantarillas en sus secciones de
entrada y salida debe coincidir con
el nivel del cauce natural del arroyo,
salvo casos especiales.
En el diseño hidráulico de
alcantarillas debe garantizarse el
correcto encauzamiento de las aguas;
si es necesario, deben efectuarse
canalizaciones en las zonas de
entrada o de salida, verificando que
las nuevas condiciones no alteren el
régimen hidráulico de la corriente.
Es necesario ubicar las alcantarillas
con el esviaje que requieran, para
respetar al máximo posible los
escurrimientos naturales, aunque las
obras resulten largas y, por tanto,
más costosas.
Todo aquello que mejore la entrada
del flujo en las alcantarillas reduce
pérdidas de energía y, por tanto,
mejora la eficiencia hidráulica.
Colocar aleros rectos o curvos,
construir ensanchada la entrada y
redondear bordes pueden favorecer
en este sentido.
Para obras de drenaje bajo terraplenes
muy altos, es conveniente construirlas
con mayor área que la estrictamente
necesaria, ya que en caso de resultar
insuficientes, una falla del terraplén
implica costos de reparación elevados.
Es necesario verificar que la
sobreelevación del agua ocasionada
por el estrechamiento que produce la
obra de drenaje no afecte terrenos
particulares ubicados aguas arriba
del cruce.
Asimismo, evitar el diseño de obras
de drenaje con caja de entrada, ya
que generalmente se obstruyen.
Los cuerpos flotantes condicionan el
tipo y dimensiones de las alcantarillas
y en ocasiones obligan a multiplicar el
área hidráulica necesaria para drenar
el gasto de diseño.
Cuando la corrientes tienden a
depositar sedimentos, los azolves
obligan, en general, a construir obras
de mayor altura que la necesaria
desde el punto de vista hidráulico.
El tipo y dimensiones de las obras de
drenaje deben permitir la continuidad
del transporte de sedimentos, para
evitar que se formen grandes depósitos
de materiales en el lado de aguas
arriba, y degradación del cauce (erosión
sin recuperación) en el de aguas abajo .
Cuando se construyen obras de drenaje
con pendientes muy pronunciadas es
necesario cimentarlas con anclajes, lo
cual eleva mucho su costo.
Una solución alterna para el caso de arroyos de
gran pendiente es hacer coincidir la entrada de
la obra con el arroyo, y su salida con una de las
laderas aguas abajo. En este caso se reducirá
notablemente la pendiente de los
escurrimientos. Será muy importante construir
un canal de salida adecuado y que la descarga
del agua no erosione la ladera. En ocasiones es
necesario construir obras de protección contra la
erosión en el extremo final del canal de salida.
Por supuesto,
se insiste en que
ES NECESARIO RESPETAR AL
MAXIMO POSIBLE EL CURSO
NATURAL DE LOS ARROYOS.
Debe evitarse construir cercas de
alambre en las zonas de entrada
y de salida de las alcantarillas, ya
que provocan el atoramiento de
troncos y ramas, que obstruyen
el libre paso del agua.
Las alcantarillas deben tener como
única función drenar el agua de la
cuenca y debe evitarse que a través
de ellas pasen líneas de servicios
públicos, tales como agua, energía
eléctrica, teléfono, gas, etc. La
vigilancia debe ser más estricta en
los tramos carreteros que pasen por
zonas pobladas o con tendencia a
poblarse.
Es necesario vigilar que los
lugareños no construyan en las
zonas de entrada o de salida de las
alcantarillas obras tales como
bordos, diques, derivaciones, etc, ya
que pueden provocar remansos,
azolves, y hasta grandes volúmenes
de agua que no podrían drenar las
alcantarillas, lo que podría ocasionar
el corte de un tramo de la carretera.
Es muy importante propiciar la
vegetación propia del lugar en la
zona que ocupa el derecho de vía
de la carretera, principalmente en
los taludes de los terraplenes, a fin
de evitar que la acción del agua de
lluvia los erosione.
Es necesario retirar de los taludes
de terraplenes, las rocas que al
rodar puedan obstruir alcantarillas.
En ocasiones aguas arriba de algunas
alcantarillas existen caminos que se
construyeron provisionalmente para dar
acceso a maquinaria y equipo durante la
construcción de la carretera. Dichas
obras propician un aporte importante de
azolves hacia las alcantarillas, por lo
que es indispensable eliminarlos al
concluir la construcción de la carretera.
Al desazolvar alcantarillas, los
materiales extraidos deberán ser
depositados en zonas mucho más
bajas, aguas abajo de las obras.
Al efectuar la limpieza de la entrada
y salida de las alcantarillas, es muy
importante no dejar el producto del
desyerbe y despalme en el lado de
aguas arriba de las obras.
Las alcantarillas para alivio de
cunetas debe procurarse construirlas
esviajadas, como se indica en las
siguientes figuras.
ESTUDIOS HIDROLOGICOS
FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO
CARACTERISTICAS DE
LA TORMENTA
CARACTERISTICAS
FISIOGRAFICAS
DE LA CUENCA
TIPO DE PRECIPITACION
DURACION
INTENSIDAD
TAMAÑO
FORMA
PENDIENTE
ELEVACION (msnm)
TIPO Y USO DE SUELO
HUMEDAD DEL SUELO
TIPO DE RED DE DRENAJE
DENSIDAD Y TIPO DE VEGETACION
PERMEABILIDAD DEL SUELO
TEMPERATURA AMBIENTE
La mayoría de las obras de drenaje
menor está ligada a cuencas
pequeñas, entendiendo como
tales, aquellas cuya respuesta a la
precipitación es rápida y son
sensibles a tormentas de corta
duración e intensidad alta. En las
cuencas grandes el efecto de
almacenaje es importante.
Para definir el tipo y dimensiones
de una obra de drenaje es
necesario determinar el gasto de
diseño, el cual se determina a
partir de la aplicación de
métodos hidrológicos.
Los métodos hidrológicos para
el cálculo de gastos máximos
se clasifican en empíricos,
semiempíricos y estadísticos.
Los métodos empíricos
determinan el gasto en función
de características fisiográficas
de la cuenca.
El método que tradicionalmente
ha sido empleado en la S.C.T.
para obtener gastos de diseño
de alcantarillas es el de Talbot,
que es de tipo empírico.
La ecuacion de Talbot es:
4/3183.0 Ca
donde:
a área hidráulica necesaria (m2)
C
A área de la cuenca (Ha)
coeficiente, función de las características
topográficas de la cuenca (adim)
Valores del coeficiente C de la
fórmula de Talbot.
Características topográficas de la cuenca C
Montañosa y escarpada 1.00
Con mucho lomerío 0.80
Con lomerío 0.60
Muy ondulada 0.50
Poco ondulada 0.40
Casi plana 0.30
Plana 0.20
Esta fórmula fue desarrollada en 1887 con
base en datos de escurrimiento de la región
del Medio Oeste de E.U.A., sobre
corrientes tributarias del Río Mississippi.
Como puede observarse, no es necesario
determinar previamente el gasto de diseño
de la alcantarilla para dimensionarla.
Comentarios al método de Talbot:
• El área hidráulica necesaria de la alcantarilla
no depende sólo del área y topografía de la
cuenca, sino también de las demás
características fisiográficas de la misma y del
tipo e intensidad de la precipitación pluvial.
• No considera el período de retorno de las
avenidas.
• Sus resultados sólo son válidos para la zona
para la cual fue desarrollado.
• La fórmula fue obtenida con datos de
cuencas de drenaje de hasta 200 km2
• No se tomaron en cuenta la intensidad
de lluvia ni la velocidad media de la
corriente.
• La intensidad máxima de las lluvias que
produjeron los escurrimientos fue del orden
de 100 mm/hr y la velocidad de la corriente
fue variable y menor de 3 m/s.
• Los resultados que se obtienen sólo son
válidos para la zona en que fue desarrollado
el método o para regiones de características
similares.
• En México existe una gran variedad de
condiciones climatológicas y topográficas, en
su mayoría muy distintas a las características
del Medio Oeste de los EUA.
Por consiguiente, el método de Talbot
no debe emplearse para obtener el área
necesaria de las alcantarillas. Su
aplicación indiscriminada conduce a
diseños antieconómicos, ya sea por
resultar sobrada el área necesaria o por
los daños subsecuentes al ser
insuficiente la alcantarilla diseñada.
Los métodos semiempíricos están
basados en la relación lluvia -
escurrimiento y determinan el gasto en
función de una intensidad de lluvia para
cierta duración y características
fisiográficas de la cuenca. Ejemplos son
la Fórmula Racional y el método de
Chow.
Para aplicar los métodos semiempíricos,
la SCT se ha dado a la tarea de
procesar datos de lluvia y ha creado el
Sistema Automatizado de Isoyetas,
SAISO, que elabora Planos de Isoyetas
de Intensidad de lluvia – Duración –
Período de retorno. El sistema lo
actualiza cada 10 años.
Se cuenta también con información
pluviométrica del banco de datos de la
CNA denominado “Extractor Rápido
de Información Climatológica”, ERIC,
que permite elaborar planos de
Isoyetas de altura de lluvia para
duraciones de 24 horas.
Los métodos estadísticos son
útiles cuando se cuenta con un
registro de gastos ocurridos.
Suponen que los gastos
máximos aforados son una
muestra aleatoria de una
población de gastos máximos.
Ejemplos de métodos
estadísticos son las
distribuciones de probabilidad de
Gumbel, Normal, Pearson III y
sus variantes logarítmicas.
Para aplicar los métodos
estadísticos a las corrientes
naturales se cuenta con la
información hidrométrica de la
CNA denominada “Banco
Nacional de Datos de Aguas
Superficiales”, BANDAS.
Fórmula Racional.
Es uno de los métodos semiempíricos
más importantes para el cálculo de
gastos máximos, ya que muchos otros
métodos basados en relaciones lluvia
- escurrimiento son sólo variantes de
él.
Su expresión es
Qmáx = 0.278 CIA
donde:
Qmáx gasto máximo, en m3/s
A área de la cuenca, en km2
C coeficiente de escurrimiento, Vescurrido / Vllovido,
adimensional
I intensidad de lluvia para una duración igual al
tiempo de concentración, en mm/hr
0.278 valor que homogeniza las variables para obtener
Qmáx en m3/s
Imaginemos que la lluvia se aplique a un “ritmo”
constante y de una manera uniforme a una
superficie impermeable. Llegará un momento en
que el escurrimiento en la superficie llegará a tener
un “ritmo” igual al de la lluvia. El tiempo necesario,
d, para alcanzar ese equilibrio es el tiempo de
concentración, tc, y para esta condición se obtiene
el gasto máximo, Qmáx.
La fórmula Racional se basa en un modelo lluvia -
escurrimiento como el antes descrito.
Las hipótesis básicas del método Racional son: 1. La intensidad de lluvia es constante y la lluvia, uniforme en toda la cuenca. 2. La duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración, d = tc, con lo cual se está suponiendo que toda el área de la cuenca contribuye al escurrimiento. 3. La capacidad de infiltración del terreno de la cuenca es constante en todo tiempo. 4. El efecto de almacenaje del agua de escurrimiento superficial en la cuenca es despreciable.
Los valores del coeficiente de
escurrimiento, C, son función directa
del tipo de suelo de la cuenca y se
obtienen a partir de tablas ya
elaboradas.
Desventajas del método Racional:
• Proporciona sólo el valor de Qmáx, sin tomar
en cuenta la forma del hidrograma.
• El tiempo de concentración se calcula con
fórmulas empíricas, ensayadas en regiones que
en general no son semejantes a las cuencas en
estudio.
• Resulta difícil precisar el valor del coeficiente
de escurrimiento, C.
Método de Chow.
Está basado en el concepto de
hidrograma unitario.
Los datos necesarios para la
aplicación del método de Chow son:
Ac - área de la cuenca (km2)
L - longitud del cauce principal (m)
S - pendiente del cauce principal (adim)
N - coeficiente de escurrimiento (adim)
Tr - periodo de retorno (años)
Isoyetas i - d - Tr o curvas i - d - Tr
El procedimiento de cálculo al emplear el
método de Chow es:
1). Suponer una duración de lluvia, d, y calcular la intensidad
de lluvia a partir de los mapas de isoyetas de la República
Mexicana.
2). Pb = id (cm)
3). 32.20
2032
)08.5508
( 2
NP
NP
P
b
b
eb
Precipitación en exceso
(cm) FIGURA
d
PX eb4). factor de escurrimiento )(
hr
cm
5). 64.0)(00505.0S
Lt p
tiempo de retraso (hr)
pt
d6).
7). )(pt
dfZ
factor de reducción del pico (adim).
FIGURA
8). AXZQm 78.2
Volver al paso 1 9).
El procedimiento es por tanteos hasta obtener el gasto
máximo.
ESTUDIOS HIDRAULICOS
La Hidrología se enfoca a las
características de la cuenca de
drenaje. Se determina el gasto
de diseño asociado a un período
de retorno.
Considerando el gasto de diseño
obtenido hidrológicamente y
aplicando las leyes de la Hidráulica,
se determinará la velocidad de la
corriente, el nivel de aguas de
diseño y las dimensiones de las
obras de drenaje.
Se definirán conceptos
fundamentales de Hidráulica,
que son necesarios para
comprender la mecánica del
movimiento del flujo y
sedimentos en los cauces
naturales.
uniforme
variado
permanente
uniforme y
permanente,
“uniforme”
permanente y
variado,
FGV y FRV
transitorio
transitorio y
uniforme
transitorio y
variado
0U 0U
0tU
0tU
Un canal es un conducto en que el agua
fluye a superficie libre.
Los canales pueden ser:
naturales
- arroyos,
- ríos
artificiales (prismáticos)
- canales de riego,
- obras de alivio,
- vertedores, etc.
En EUA utilizan las alcantarillas
y los puentes como dispositivos
para determinar el gasto que
drenan.
Flujo uniforme
Para el cálculo de la velocidad del
agua en canales naturales se
considera que el flujo es
permanente uniforme, es decir que
la velocidad no varía ni con el
tiempo ni de sección a sección.
El flujo uniforme se establece
cuando se equilibran las fuerzas de
resistencia, Ff, y las gravitatorias, w1.
Con esta condición, se cumple que
A constante
d constante
V constante
Q constante
en cualquier sección transversal del
canal, y
Sf Sw So S
Estrictamente, las características del
flujo uniforme pueden cumplirse en
canales prismáticos y no en cauces
naturales.
Sin embargo, se procura buscar
tramos de ríos y arroyos donde se
cumplan lo más posible.
El flujo uniforme no ocurre para
velocidades altas, llamadas
ultrarrápidas, ya que existe
intrusión de aire y el flujo se vuelve
muy inestable y no permanente.
El tirante para el flujo uniforme
se denomina tirante normal, yn.
El método más utilizado en el mundo para el cálculo de flujo
uniforme sigue siendo la ecuación de Manning:
V = R2/3 S1/2 / n
donde V velocidad media del flujo (m/s)
R radio hidráulico de la sección transversal (m)
A área hidráulica (m2)
P perímetro mojado (m)
S pendiente de la línea de energía
(adimensional)
n coeficiente de rugosidad de Manning (tabla 4)
Se acostumbra denominar al
método de Manning, método de
Sección y Pendiente, porque
para aplicarlo se requiere el
área hidráulica de la sección
transversal y la pendiente del
arroyo.
El coeficiente n trata de
cuantificar la resistencia que
ofrecen al flujo las fronteras de
la sección del canal, es decir el
fondo y márgenes del canal.
-rugosidad de la superficie,
-vegetación,
-irregularidades del canal,
-alineación del canal,
-erosión y sedimentación en el cauce,
-obstrucción al flujo,
-tirante, etc.
El valor de n depende de:
2/1
3/2
S
QnAR
Factor de sección para cálculo de
flujo uniforme:
Representa a la ecuación de Manning,
separando parámetros de la geometría
del canal y parámetros hidráulicos.
CONDICION TIPO DE ALACANTARILLA
MAS ADECUADO
Baja capacidad de carga del
terreno
Cajones
Gastos pequeños y terraplenes
de escasa altura
Tubos
Terraplenes altos y condiciones
de cimentación favorables
Bóvedas
El proyecto no considera
colchón sobre la estructura
Losas
Sección amplia del arroyo Losa de claro amplio o batería
TABLA 5. GUIA PRELIMINAR PARA ELEGIR EL TIPO DE
ALCANTARILLA MAS ADECUADO
TABLA 6. PENDIENTES MAXIMAS
RECOMENDABLES PARA ALCANTARILLAS
TIPO DE
ALCANTARILLA
TIPO DE
ALACANTARILLA MAS
PENDIENTES MAXIMAS
(%)
Tubo* 45
losa 15
cajón 15
bóveda 18
* Para S > 30% es necesario construir anclajes
FOTOGRAFIAS.
PROBLEMAS DE DRENAJE
Es de vital importancia la calidad
de los estudios, los proyectos y la
construcción de las obras de
drenaje de vías terrestres.
Las deficiencias que existan en
esas tres etapas, invariablemente
ocasionarán la inversión de
mayores recursos financieros en
las etapas de operación,
conservación y mantenimiento.
Trabajemos siempre a favor de
la calidad de los sistemas de
drenaje de las vías terrestres.
A continuación se presentan
imágenes que muestran problemas
de vías terrestres en operación.
Posteriormente se presentan
figuras que ilustran problemas y
soluciones planteadas.
Para mejorar el sistema de drenaje de la vías terrestres es
necesario que los especialistas se interesen más por estudiar
Hidráulica, Hidrología y Drenaje, además de los temas que
más se estudian en el medio, que son terracerías, pavimentos,
asfaltos, geotecnia y mecanica de suelos, entre otros.
Si, como hemos visto, el agua produce tanto daño a las
carreteras, bien merece dedicarle a tención suficiente para
realizar estudios, proyectos y obras civiles que permitan el
desalojo rápido y eficiente del líquido, para mantener en buen
estado las vías terrestres, que generan comunicación y
progreso para todos.
Procuremos aprovechar siempre la oportunidad de
“comprender” al agua que llega a las carreteras, ya que es lo
que más afecta y destruye
FIGURAS
Es conveniente describir los
problemas de drenaje y sus
soluciones empleando
esquemas y fotografías
Se presentan a continuación
ejemplos de esquemas