105255557 Drenaje Superficial Sobre Carreteras Alcantarillas

7/22/2019 105255557 Drenaje Superficial Sobre Carreteras Alcantarillas

1/29

TABLA DE CONTENIDO

DRENAJE SUPERFICIAL SOBRE CARRETERAS .............................................................................. 159

(ALCANTARILAS) ..................................................................................................................................... 159

8.1 INTRODUCCION....................................................................................................................... 1598.2 ESTUDIOS PREVIOS AL DISEO DE ALCANTARILLAS ........... ........... .......... ........... ....... 159

8.2.1 Estudios Hidrolgicos........................................................................................................ 1608.2.2 Estudios Topogrficos. ...................................................................................................... 162

8.2.3 Estudios Hidrulicos.......................................................................................................... 1638.3 CARACTERSTICAS DEL FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS. .......... ........... ........... ......... 163

8.4 HIDRULICA DE LAS ALCANTARILLAS. .......................................................................... 166

8.5 DISEO DE LAS ALCANTARILLAS....... ........... .......... ........... ........... .......... ........... .......... ..... 170

8.6 DISEO HIDRAULICO DE LAS ALCANTARILLAS. ........... ........... .......... ........... ........... ..... 175

8.7 EJERCICIOS DE APLICACIN. .............................................................................................. 178

8.8 APLICACIN DE PROGRAMAS EN EL DISEO DE ALCANTARILLAS. ............ ........... . 182

8.8.1 Aplicaciones para el clculo de caudal de diseo. ............................................................ 183

8.8.2 Diseo de alcantarillas con CALCANT............................................................................. 1848.9 EJERCICIOS PROPUESTOS..................................................................................................... 186

8.10 BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................... 186


2/29

OBRAS HIDRAULICAS I CAPITULO 8 DRENAJE SUPERFICIAL CARRETERAS

159

CAPITULO 8

DRENAJE SUPERFICIAL SOBRE CARRETERAS(ALCANTARILAS)

8.1 INTRODUCCION.

La lluvia que cae sobre la superficie de la tierra, una parte escurre inmediatamentereunindose en corrientes de agua; otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno.Cuando el agua de escurrimiento o de infiltracin alcanza la carretera, si no se dispone delos elementos necesarios para conducirla o desviarla, puede ocasionar la inundacin de lacalzada, el debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosin o el derrumbe de lostaludes, con graves perjuicios para el usuario de la va y para la economa de la nacin.

La remocin de las aguas superficiales, ya sea que stas caigan directamente sobre laplataforma de la va o sobre las cuencas tributarias de las corrientes que debe cruzar la

carretera, se logra a travs de las obras de drenaje superficial; la remocin de las aguassubterrneas, mediante los subdrenajes.Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de unacarretera: la Topografa, la Hidrologa y la Geologa de la zona; variadas ramas de laingeniera participan en la solucin del problema: la estadstica, la hidrulica, el diseoestructural, etc.

Debido a las diferencias en las caractersticas topogrficas, hidrolgicas y geolgicas, losmtodos de diseo de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las frmulaspueden variar mucho de un sitio a otro. Ello obliga, en este texto, a una exposicin decarcter fundamental, donde se sealen las prcticas de mayor aceptacin. La funcin delos drenajes superficiales de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias

para el paso de aguas de un lado a otro de la va, y para el drenaje de las aguas que caendirectamente encima de la plataforma y de otras reas que desagen en ella.

En el orden enunciado, esta funcin es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por laszanjas, cunetas y desages pluviales. Una alcantarilla es un conducto que lleva agua atravs de un terrapln. Es un paso a nivel para el agua y el trfico que pasa sobre ella. Adiferencia con la plataforma de los puentes, la parte superior de las alcantarillas,generalmente no forma parte del pavimento de la carretera.

8.2 ESTUDIOS PREVIOS AL DISEO DE ALCANTARILLAS

Los estudios previos al diseo de las alcantarillas se pueden dividir en los siguientes

grupos:

1. Estudios Hidrolgicos.2. Estudios Topogrficos.3. Estudios Hidrulicos.


3/29


160

8.2.1 Estudios Hidrolgicos.

Como se vio en el capitulo 1, el ciclo hidrolgico es un acontecimiento importante en eldiseo de sistemas de drenaje vial, ya que de este nos importan dos fases importantesque son: la Precipitacin y el escurrimiento. Los principios de hidrologa relacionados conel estudio del drenaje de la carretera son aplicables al diseo de alcantarillas, siempre que

se disponga de datos suficientes. Es probable, sin embargo, que la informacin deprecipitacin y escurrimiento para las corrientes que se tratan de evacuar a travs de lasalcantarillas no sea obtenible, y que sea necesario utilizar datos deducidos de laobservacin del comportamiento de estructuras similares en la regin. Tambin es posiblehacer predicciones del escurrimiento para reas locales no medidas, a partir de losregistros de reas similares para las cuales el escurrimiento haya sido medido.

En el anlisis hidrolgico para una estructura de drenaje, debe ser reconocido que haymuchos factores variables que afectan las estructuras. Algunos de los factores quenecesitan ser reconocidos y ser considerados son por ejemplo: precipitacin, tamao,forma, y orientacin del rea del drenaje, Cubierta de tierra, Tipo de suelo, pendientes delterreno. Existen varios mtodos hidrolgicos para el clculo del escurrimiento superficial,

entonces el mtodo que se utilice debe ser el que de menor error para las condiciones dellugar de obra. Al disear una estructura de drenaje, uno de los primeros pasos a darconsiste en estimar el volumen de agua que llegar a ella en un determinado instante.Dicho volumen de agua se llama descarga de diseo, y su determinacin debe realizarsecon el mayor grado de precisin, a fin de poder fijar econmicamente el tamao de laestructura requerida y disponer del agua de escurrimiento sin que ocurran daos a lacarretera.

La utilizacin de frmulas, ya sea que den la descarga de diseo o directamente laabertura, puede resultar atractiva por su simplicidad; sin embargo, la ignorancia de lascircunstancias que condicionaron su desarrollo puede conducir a graves errores. Cadauna de las innumerables frmulas que se emplean tiene su propsito particular y ninguna

es de aplicacin general.Entre las frmulas que dan la descarga de diseo, una que se destaca es la formulaRACIONAL, por ser la de uso ms extendido.

a.) La Frmula Racional

Fue desarrollada originalmente para estimar el escurrimiento en reas urbanas. El uso deesta frmula se remonta a 1889, cuando Emil Kuichling la menciona por primera vez. Elmtodo racional se puede considerar para las reas hasta 500 hectreas.1

La frmula racional expresa que la descarga es igual a un porcentaje de la precipitacin

multiplicado por el rea de la cuenca. La duracin mnima de la lluvia seleccionada deberser el tiempo necesario, en minutos, para que una gota de agua llegue a la estructura dedrenaje desde el punto ms alejado de la cuenca. Ese tiempo se llama tiempo deconcentracin:

As puede escribirse: CIACQ f= (8-1)

1 Diseo de carreteras, Carciente, Cp. 7


4/29


161

Donde:

Q: Descarga en litros por segundo.Cf: Factor se saturacin

2C: Coeficiente de escorrenta.I: Intensidad de la precipitacin correspondiente al tiempo,

de concentracin, en litros por segundo por hectrea,A: rea de la cuenca en hectreas.

Para las unidades americanas se tiene: Q (Ft3/seg.)= (-) *(-) * (in/Hr.) *(Acres)

El coeficiente de factor de saturacin es un factor que se toma en cuenta respecto a lafrecuencia de retorno de un evento mximo (avenidas) y se da de acuerdo a la siguientetabla:

Frecuencia de Retorno (aos) Cf

2, 5, 10 1.0

25 1.1

50 1.2

100 1.25

Nota: el valor Cf*C debe ser menor o igual a 1.02

Tabla 8.1 Cf coeficiente de saturacin

El periodo de retorno es un factor que influye en el diseo de alcantarillas ya que puedevariar de 5 a 100 aos de acuerdo a la importancia de la va que se tiene, o del lugardonde se necesite la alcantarilla y de acuerdo a la economa para el diseo, estasfrecuencias se dan en la siguiente tabla:

Frecuencia de DiseoTipo deObra de drenaje Autopistas CarreterasUrbanas Rurales Tipo A y B Tipo C y D

Pontones 50 50 50 25

Alcantarillas de SeccinTransversal mayor de 4m2

50 25 25 10

Alcantarillas de SeccinTransversal menor de 4m2

25 25 15 10

Tabla 8.2 Frecuencia de Diseo para pontones y alcantarillas.

La formula racional de Krimgold, esta basada en ciertas hiptesis, estas son:

1. El escurrimiento resultante de cualquier intensidad de lluvia es un mximo cuando esaintensidad de lluvia dura, al menos, tanto como el tiempo de concentracin.

2. El escurrimiento resultante de una intensidad de lluvia, con duracin igual o mayor queel tiempo de concentracin, es una fraccin de la precipitacin.

2 coeficiente, Manual de VDOT.


5/29


162

3. La frecuencia de la mxima descarga es la misma que la de la intensidad de lluviapara el tiempo de concentracin dado.

4. La relacin entre mxima descarga y tamao del rea de drenaje es la misma que larelacin entre duracin e intensidad de precipitacin.

5. El coeficiente de escorrenta es el mismo para lluvias de diversas frecuencias.6. El coeficiente de escorrenta es el mismo para todas las lluvias en una cuenca dada.

El mtodo racional no toma en cuenta el efecto de almacenamiento de la cuenca, puessupone que la descarga es igual a la precipitacin pluvial menos toda la retencin de lacuenca. Tampoco considera variaciones de intensidad de lluvia en el rea durante todo eltiempo de concentracin. Estas suposiciones hacen particularmente susceptible deerrores los clculos, cuando el rea de drenaje es grande.

La aplicacin de la formula Racional requiere el conocimiento de un coeficiente deescorrenta que depende de las caractersticas que rigen la cantidad y velocidad delescurrimiento en la cuenca. Estos valores se dan en el Anexo de este capitulo (Fig.8.15 a8.16), para diferentes tipos de zonas y superficies.

Una de las hiptesis bsicas de la formula racional es la de suponer que la lluvia ser desuficiente duracin, para permitir la llegada simultanea del agua que cae sobre toda lasuperficie de la cuenca a la boca de la estructura de drenaje. Ese tiempo se hadenominado Tiempo de concentracin y es el requerido para que el agua que cae en elpunto mas alejado de la cuenca llegue al punto de salida.

Si la lluvia es de mayor duracin que el tiempo de concentracin, Tc, el escurrimiento sermenor que el calculado para dicho tiempo, debido a que la intensidad de esta lluvia sermenor que la duracin Tc. Si la lluvia que cae es de menor duracin que Tc, tambin ladescarga ser menor, debido a que no toda la cuenca contribuye simultneamente alescurrimiento.

Para hallar este valor existen varias formulas empricas entre ellas el Manual de DrenajesMOP. Sugiere la siguiente:

385.03

0195.0

=

H

LTc (8-2)

Tc: Tiempo de concentracin, minutos.L: Longitud del cauce principal, metros.H: Diferencia de elevacin, metros.

8.2.2 Estudios Topogrficos.

La seleccin del tamao y tipo de estructura de drenaje, aceptable a un sitio determinado,depende grandemente de la precisin con que se puedan sealar sobre los planostopogrficos o sobre fotografas areas de los alrededores de la carretera, las cuencas delos arroyos y corrientes de agua que cruzan la va, el perfil longitudinal del canal a laentrada y salida de la alcantarilla y su seccin transversal, la seccin transversal delterrapln, las cotas de inundacin permisibles a la entrada y salida de la estructura, lanaturaleza del lecho del canal, las posibilidades de erosin, etc.


6/29


163

En la Figura 8.1 se muestra un modelo de levantamiento topogrfico donde se indican losdatos fundamentales a anotar.

8.2.3 Estudios Hidrulicos.

La finalidad del diseo hidrulico de las alcantarillas es encontrar el tipo y tamao de las

mismas que desagen de la manera ms econmica la corriente originada por una lluviade frecuencia establecida.

Figura 8.1 Levantamiento topogrfico para el emplazamiento de una alcantarilla.

Generalmente, la alcantarilla reduce el cauce de corriente, ocasionando un represamientodel agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto y a la salida. Elxito del diseo hidrulico radica, por consiguiente, en proveer una estructura concapacidad de descargar, econmicamente, una cierta cantidad de agua dentro de lmitesestablecidos de elevacin del nivel de las aguas y de velocidad. Cuando la altura y ladescarga han sido determinadas, la finalidad del diseo es proporcionar la alcantarillams econmica, la cual ser la que con la menor seccin transversal satisfaga losrequerimientos del diseo.

8.3 CARACTERSTICAS DEL FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS.

El proyectista de las alcantarillas de una carretera precisa conocer la mecnica bsica delflujo en el conducto, pues ella permite establecer las ecuaciones que relacionan la alturade agua a la entrada con el gasto y las dimensiones de la alcantarilla.


7/29


164

Figura 8.2 Factores que regulan el escurrimiento a travs de una alcantarilla

El escurrimiento a travs de una alcantarilla generalmente queda regulado por lossiguientes factores: pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo dellugar, pendiente del fondo de la alcantarilla, altura de embalse permitida a la entrada, tipode entrada, rugosidad de las paredes de la alcantarilla, y altura del remanso a la salida.Todos estos factores se combinan para determinar las caractersticas del flujo a travs dela alcantarilla.

En la Figura 8.3 se compara el flujo por un canal abierto y a travs de un conductocerrado.El gradiente de energa, tambin llamado lnea de carga total, es la suma de la carga porvelocidad, v2/2g, la profundidad del flujo o la altura piezomtrica, segn se trate de uncanal o de un conducto cerrado, y la elevacin sobre un datum arbitrario, Z.

Figura 8.3 Comportamiento del flujo a travs de un canal cerrado y de un conducto abierto.


8/29


165

La lnea del gradiente de energa baja en el sentido del flujo, siendo su pendiente igual ala relacin HL/L, donde H, es la prdida total de carga en la distancia L.El gradiente hidrulico o lnea de carga piezomtrica es la suma de la elevacin Z delfondo del conducto sobre un plano de referencia ms la altura de agua o la altura piezo-mtrica, segn corresponda.

Obsrvese en la Figura 8.3 que en los canales abiertos, el trmino p/wes equivalente a laprofundidad del flujo y, por consiguiente, la lnea del gradiente hidrulico coincide con elnivel de la superficie del agua. En los conductos cerrados que trabajan a presin, p/w esla altura piezomtrica, y la lnea del gradiente hidrulico est por encima de la carasuperior del conducto en tanto que la relacin entre la presin interna y la presinatmosfrica sea positiva.

En una seccin un poco antes de la entrada de la alcantarilla, como en la Seccin 1 delesquema, el flujo es esencialmente uniforme y las lneas de gradiente hidrulico y deenerga prcticamente son coincidentes. Al entrar el agua en la alcantarilla, Seccin 2, elflujo se contrae y poco despus se expande, debido a la geometra de la entrada, pro-ducindose una prdida de energa en dicha seccin. Al restablecerse aguas abajo una

distribucin normal de la velocidad, Seccin 3, a lo largo del canal se ocasiona una nuevaprdida de energa debido a la friccin o resistencia de forma del conducto. En la salida,Seccin 4, hay una nueva prdida de energa causada por la turbulencia de la expansindel flujo y por el retardo que ste sufre por el agua del canal de salida. Finalmente, al fluirel agua libremente en el canal, el flujo se restablece y el gradiente hidrulico coincide conla superficie del agua, Seccin 5.

Los ensayos de laboratorio y las observaciones de campo han evidenciado que existendos tipos principales de flujo en las alcantarillas: flujo con control a la entrada y flujo concontrol a la salida, entendindose por controlaquella seccin donde existe una relacindefinida entre el gasto y la profundidad.

Control a la Entrada significa que la capacidad de la alcantarilla est regulada por lageometra de la seccin (rea, forma y naturaleza del contorno) y por la altura de aguaa la entrada del conducto, independientemente de que sta est descubierta osumergida; no siendo afectada, en cambio, por la longitud, rugosidad y condiciones desalida de la alcantarilla. La Figura 8.4 muestra flujos caractersticos con control a laentrada. Para esta condicin de trabajo, las relaciones entre altura de agua y gasto endiferentes tipos de conductos circulares y abovedados han quedado establecidasmediante observaciones de laboratorio realizadas en modelos y verificadas enprototipos.

Una alcantarilla puede tener su control a la entrada cuando, trabajando con stadescubierta, la pendiente del conducto es supercrtica. Caso ms comn es cuando,

estando la entrada sumergida, el conducto no fluye lleno. Una alcantarilla quetrabaja con control a la entrada recibe el nombre de alcantarilla hidrulicamente corta.Si la altura de agua a la entrada es alta, la pendiente del conducto suave y lalongitud de la alcantarilla suficientemente larga, la seccin de control puede cambiarde la entrada a la salida.


9/29


166

Figura 8.4 Alcantarillas con control a la entrada a) No sumergida, b) sumergida.

Al tenerse control a la salida, a los factores de regulacin de la capacidad de laalcantarilla considerados anteriormente se aaden otros: la longitud, pendiente yrugosidad del conducto, las prdidas de carga a la entrada y, a veces, la altura deagua a la salida. Como muestra la Figura 8.5

Figura 8.5 Alcantarillas con control a la salida.

E1 control a la salida se presenta en dos circunstancias: la menos frecuente escuando la altura de agua no sumerge la entrada y la pendiente del conducto es sub-crtica; ms comn es el caso de una alcantarilla fluyendo a plena capacidad. Una

alcantarilla que trabaja con control a la salida recibe el nombre de alcantarillahidrulicamente larga. Un resumen de las condiciones tpicas de operacin de lasalcantarillas aparece en la Figura 8.17 (ANEXOS).

8.4 HIDRULICA DE LAS ALCANTARILLAS.

El anlisis hidrulico riguroso del comportamiento del flujo a travs de lasalcantarillas es un tema complejo. Un estudio sistemtico del tema, emprendido porel U. S. Department of Commerce desde hace aos, ha producido numerosos


10/29


167

informes, desde un punto de vista de aplicacin, el diseo de las alcantarillas requiereno solo un conocimiento de la mecnica bsica del flujo en los conductos cerrados,expresado en forma de ecuaciones que relacionen el gasto o caudal con lasdimensiones de las alcantarillas, sino tambin un procedimiento de clculo quesimplifique la aplicacin de las numerosas variables involucradas en dichasecuaciones y permita relacionar la capacidad hidrulica del conducto con los

requerimientos hidrolgicos.

El estudio de los tipos de flujo a travs de las alcantarillas ha permitido establecer lasrelaciones existentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el gasto y lasdimensiones de la alcantarilla. Para el caso de las alcantarillas trabajando concontrol a la entrada, los resultados experimentales obtenidos se han vertido en formade monogramas, tales como los de las Figuras del anexo Fig. 8.1 a 8.10.

Cuando se trata de alcantarillas que trabajan con control a la salida, para pasar unacantidad de agua a travs de ellas se requiere una carga o energa H capaz desuministrar la carga de velocidad, Hv, la prdida de carga a la entrada, He, y laprdida de carga por friccin, Hf, en el conducto, es decir:

H = Hv +He + Hf. (8-3)

La carga por velocidad es igual a v2/2g; la prdida de carga a la entradadepende de la geometra de la entrada, y se expresa en funcin de la carga develocidad como Ce*v2/2g; la prdida de carga por friccin se puede calcularmediante la ecuacin de Manning:

g

v

R

LnHf

2

62.192

3/2

2

= (8-4)

Donde R y L se miden en metros, v en m/seg. y g en m/seg

2

. Sustituyendo estosvalores en la primera ecuacin, se tiene

g

v

R

Ln

g

vC

g

vH e

2

62.19

22

2

3/2

222

++= (8-5)

Tambin se puede escribir como:

++=

3/2

2262.19

12 R

LnCe

g

vH (8-6)

Ecuacin que puede resolverse mediante los monogramas de las Figuras 8.5 a 8.10.(de anexos).

Pero, en las alcantarillas que tienen el control a la salida, no basta con determinar lacarga utilizada. Es necesario calcular la altura de agua a la entrada, HE, considerandola pendiente de la alcantarilla y las condiciones de la salida. En la Figura 8.6,igualando la energa total aguas arriba a la energa justo a la salida de laalcantarilla, se obtiene:

fevo HHHdLSg

vdH ++=++= 2

2

11

2(8-7)


11/29


12/29


169

Cuando la altura de agua a la entrada no es determinante en el diseo de una alcantarilla,la seleccin del tipo de entrada no reviste mayor importancia; pero cuando dicha alturaest limitada o cuando la erosin o sedimentacin pueden constituir un problema, laseleccin de una entrada adecuada es fundamental. Otras veces, una alcantarilla puedehaber sido diseada con el propsito de restringir el flujo aguas abajo, requirindose paraello la formacin de un embalse aguas arriba. En estos casos, el tipo de entrada juega un

papel importante en la obtencin de los resultados deseados.

Los distintos tipos de entrada se evalan a travs de un coeficiente de entrada, Ce. Elmenor valor de este coeficiente indica una mayor eficiencia de la entrada. De una manerageneral, las entradas pueden clasificarse en tres grupos:

1. Entradas salientes o proyectantes.2. Entradas con cabezal y aletas.3. Entradas mejoradas de diseo especial.

La capacidad y adaptabilidad de las entradas proyectantes varan grandemente segn eltipo de conducto. La principal ventaja de este tipo de entrada es su bajo costo, aunque a

veces son objetadas debido a su susceptibilidad durante las operaciones normales demantenimiento de los taludes y calzada y por razones de seguridad vial.

En tubos de concreto, las entradas de espiga y campana o las tomas con lengeta yranura son altamente eficientes, con un coeficiente de entrada de 0,25. Las espigas conlos bordes romos tienen un coeficiente de entrada de 0,5.

En tubos de metal corrugado, la entrada proyectante ofrece gran resistencia al flujo; sucoeficiente de entrada es 0,9.

Estos tipos de entrada estn ilustrados en la Figura 8.9.

Figura 8.9. Tipos de contraccin del flujo a la entrada de alcantarillas convencionales. 1)

Tubo de metal corrugado- extremo saliente, 2) T. concreto- espiga con bordes romos, 3)T. de

concreto- entrada acampanada.

El comportamiento de cada una de ellas est relacionado con la contraccin del flujo: unamayor contraccin requiere una mayor carga para hacer pasar un gasto dado a travs delconducto.


13/29


170

Los cabezales son estructuras que se colocan en los extremos de las alcantarillas por unadiversidad de razones: para aumentar la eficiencia de la entrada, contribuir a la estabilidaddel talud de relleno y protegerlo contra la erosin. La eficiencia de las entradas concabezal tambin depende del tipo de material de la alcantarilla. Un conducto de metalcorrugado con cabezal se comporta similarmente a un borde romo, con un coeficiente de

entrada de 0,4. En ellos, las prdidas por entrada pueden reducirse redondeando laentrada. De esta manera, se ha logrado rebajar el coeficiente a 0.15 cuando el radio deredondeo es 0.5 veces el dimetro del conducto y a 0.10 con un radio de 0.25 veces eldimetro.

En los tubos de concreto, no se consigue ningn mejoramiento de la eficiencia hidrulicacolocando cabezales en terminales de lengeta y ranura o en tomas acampanadas. Loscoeficientes de entrada en cada caso son 0,2 y 0,4. Muy frecuentemente los cabezalesson prolongados por medio de otras estructuras conocidas con el nombre de aletas. Estasencuentran su mejor aplicacin cuando los taludes del cauce de entrada son inestables ocuando la alcantarilla esta en posicin enviajada en relacin al cauce. En la Figura 8.19(anexo del capitulo), se indican casos que requieren el empleo de aletas.

La tabla 8.20 (anexo del capitulo), se resume los coeficientes de entrada paradistintas disposiciones de las tomas.

Los avances hacen que se pruebe el uso de otros tipos de entradas que mejorenhidrulicamente las alcantarillas, tanto en entradas como en salidas de alcantarillas, estasobras disminuyen la necesidad de mantenimiento, contribuyen a asegurar la estabilidaddel terrapln y a reducir erosin alrededor de la entrada.3

8.5 DISEO DE LAS ALCANTARILLAS.

El diseo de una alcantarilla, cuando se realiza integralmente, es un proceso que abarca

no solamente el diseo hidrulico del conducto sino que se refiere a las condiciones deubicacin, alineamiento y pendiente que tendr la estructura, a la seleccin del tipo, formadel conducto y de sus instalaciones accesorias, al estudio de los posibles daos quepuede ocasionar la erosin producida por las aguas y a su remedio, a las condiciones deinstalacin del conducto y al clculo estructural bajo las cargas externas a que estar so-metido, a la prevencin de los daos derivados de la corrosin, al anlisis de la obradesde los puntos de vista de la seguridad y de la esttica vial y a la justificacineconmica del diseo que se haya propuesto. Como los sistemas de drenaje incidensobre el costo de conservacin y mantenimiento de las carreteras, tambin es necesario,que las alcantarillas sean diseadas considerando que su funcionamiento deber estaracorde con las limitaciones impuestas por los sistemas y mtodos de mantenimiento.

a) Emplazamiento de las alcantarillas

Existen tres factores importantes que deben tomarse en cuenta en la localizacin de unaestructura de drenaje para lograr el mayor grado de eficiencia y seguridad; estos factoresson: alineamiento, pendiente y elevacin.

3 Referencia Carciente Manual de Carreteras Cp. 7


14/29


171

El alineamiento ms adecuado se logra cuando la estructura se adapta a las condicionestopogrficas del lugar; esto significa que el eje de la alcantarilla deber coincidir con ellecho de la corriente, evitando cambios bruscos que impidan o retarden el flujo normal. Sepuede lograr un alineamiento recto cambiando la direccin del cauce, alineando laalcantarilla oblicuamente con respecto al eje original de la va, o combinando ambosmtodos.

Se justifica un cambio de direccin en el cauce cuando el costo de esto sea compensadopor una disminucin en la longitud o dimetro de la alcantarilla; un alineamiento oblicuoaumenta la longitud de la alcantarilla, si bien aumenta en eficiencia hidrulica. Cuando esindispensable un cambio brusco de direccin en el alineamiento horizontal, ste deberealizarse mediante curvas tan amplias como sea posible, evitando que los extremos de laalcantarilla se encuentren cerca del lugar donde la corriente cambia de curso.

Un factor que afecta directamente la ubicacin de las alcantarillas es la capacidad desoporte del suelo. Cuando la obra es de envergadura, es necesario hacer los estudiosprevios correspondientes, ya que la naturaleza del suelo podra obligar a cambiar unalineamiento recto por otro curvo o a no utilizar total o parcialmente el cauce natural para

colocar la alcantarilla, o a mejorar el material existente en los sitios que se requiera. Lasestructuras de drenaje deben ser construidas, en general, para la misma pendiente dellecho del cauce. No tomar en cuenta la pendiente del drenaje natural puede provocarserias consecuencias.

Una alcantarilla con una pendiente demasiado baja provoca una reduccin en la velocidaddel flujo y, por lo tanto, reduce la capacidad hidrulica. La sedimentacin producida porlas bajas velocidades bloquea gradualmente el paso del agua durante perodos de flujonormal, hasta el punto en que un inesperado flujo puede causar una inundacin. Por otraparte, una pendiente mayor que la del lecho de la corriente puede inducir un incrementode la velocidad capaz de desgastar y minar la estructura.

En lo que se refiere a la elevacin, las alcantarillas deben colocarse preferiblemente consu fondo al ras del cauce y no ms bajas. Cuando se requiere bajar el fondo del canal, esnecesario reconformar tambin el lecho aguas abajo, ajustndolo a la nueva rasante ypendiente. Una limitacin para ubicar una alcantarilla en el fondo del canal, podra ser laimposibilidad de lograr un sistema prctico para la conservacin y mantenimiento; otra, elalineamiento horizontal, que en ningn caso debera tener quiebres bruscos. En el casode no colocarse la alcantarilla en el fondo, debera ubicarse sobre terreno firme, a un ladodel cauce natural.

Ahora bien, hay casos en que las recomendaciones anteriores deben variarse. Lascircunstancias que a ello obligaran y las alternativas correspondientes son:

1. En zonas recientemente niveladas de declive relativamente suave, puede habersedimentacin; la alcantarilla puede colocarse unos centmetros ms alta que el lecho dela corriente, pero conservando la misma pendiente.

2. Cuando la altura del terrapln es reducida, el colocar la alcantarilla ms baja que ellecho de la corriente produce sedimentacin y reduce el rea hidrulica; aqu debe usarseuna estructura ancha y de poca altura, como un tubo abovedado; en algunos casos puedeelevarse la cota del camino.


15/29


172

3. Bajo terraplenes altos no siempre es necesario colocar el conducto al mismo nivelque el fondo de la corriente; si puede admitirse una elevacin de agua a la entrada, laalcantarilla se puede colocar en un nivel ms alto, reduciendo as su longitud. Colocar lasalcantarillas por encima del cauce tiene como lmite llevar la alcantarilla casi a nivel de lacalzada, con lo cual queda un espacio sin drenaje entre el terreno natural y el terrapln.En estos casos, el terrapln deber ser extendido hasta el terreno natural, ocupando de

esta forma el volumen que existira desde el nivel del cauce natural hasta la rasante de laobra de drenaje.

4. Bajo terraplenes altos, generalmente ocurre mayor asentamiento en el centro de laseccin; la alcantarilla debe colocarse con una contra flecha: la mitad de aguas arriba casihorizontal, dndose la cada necesaria en la mitad aguas abajo.

5. En terrenos con pendientes fuertes, como las laderas, no siempre es necesario dar alas alcantarillas la misma pendiente abrupta; puede drsele la pendiente crtica y unasalida con vertedero que evite la socavacin; esto acorta el conducto y rebaja la cubierta.

6. En pendientes fuertes tambin es posible colocar bajo el terrapln un tubo con codo,

aunque generalmente esto no se aconseja. Una entrada a un pozo colector permite dar ala alcantarilla una pendiente correcta.

b) Uso de los distintos tipos y formas de alcantarillas

Las alcantarillas, segn la clase del material que se emplea en su fabricacin, puedenclasificarse en alcantarillas metlicas y alcantarillas de concreto; segn la forma, enconductos redondos, ovalados o abovedados, cuadrados y rectangulares; y segn elnmero de conductos que se empleen en un mismo lugar, en simples y mltiples ounicelulares y multicelulares.

Las alcantarillas metlicas son, generalmente, corrugadas, ya que esta condicin

aumenta la resistencia del material, acero o aluminio, a los esfuerzos. Las formas msutilizadas aparecen en la Figura 8.10, donde se indican usos y dimensiones usuales.

Las alcantarillas de concreto, segn su forma, pueden ser alcantarillas de cajn(cuadradas, de una o varias celdas; rectangulares, de una o varias celdas), circulares yovaladas.

En el caso de las alcantarillas de concreto, la eleccin de la forma debe ser hechacuidadosamente, dependiendo ello, entre otros factores, de la topografa del lugar y de laeficiencia hidrulica y estructural y, por supuesto, de los costos de construccin

Inicialmente, la seleccin de la forma se hace buscando la que mejor se adapte al cauce

del canal de drenaje. En canales estrechos y profundos, que lleven altos flujos en laspocas lluviosas, es ms conveniente instalar alcantarillas estrechas y altas. En zonasplanas, sin cauces definidos, el agua escurre en grandes volmenes pero pequeasalturas; en este caso, una alcantarilla de cajn de varias celdas o aberturas ser laindicada.


16/29


173

FORMA DIMENSIONES ( IN) USOS COMUNES

CIRCULAR 6 A 252

Alcantarillas, sub.- drenajesde tneles, cloacas. Radiofijo. Para medianos y altos

rellenos.

ELONGACIONVERTICAL(ELIPSE)GENERALMENTE 5%

48 A 252 antesde la elongacin

Alcantarillas, cloacas,

servicio y recubrimiento detneles. Radio variable. Seutiliza por la apariencia y

donde la compactacin esmoderada

ABOVEDADO

L x H18 x 11

a247 x 158

Tiene ventajas hidrulicaspara flujos pequeos y seutiliza cuando la altura del

relleno es moderada.

PASOSUBTERRANEO*

L x H68 x 69

a244 a 214

Para peatones, paso deanimales o vehculos.

ARCO

L x H72 a 215

a300 x 150

Para bajas aberturas conlargos cursos de agua y por

razones estticas.

* Para igual rea o abertura la forma circular es generalmente ms econmica y simple paraensamblar.

Figura 8.10 Formas mas utilizadas de alcantarillas metlicas.

Las alcantarillas de cajn son adecuadas cuando trabajan bajo condiciones de compresinmoderada o rellenos muy bajos; cuando las cargas de relleno aumentan; o cuando las

presiones hidrostticas internas son mayores que las cargas exteriores, esta forma dealcantarilla se hace menos econmica.

Las alcantarillas de varias celdas se adaptan a rellenos moderados y a largos cursos deagua; son ventajosas cuando la pendiente del terreno es fuerte y la altura de rellenoest restringida. En estas alcantarillas no se presentan problemas de fundacin; sobresuelos que no soportan compresin o que tienen baja capacidad de carga, laspresiones se distribuyen de forma ms uniforme y sobre un rea ms ancha que en losotros tipos de alcantarillas; el asentamiento es menos probable y, por lo tanto, disminuyela posibilidad de hundimientos en la va. En fundaciones sobre roca, el espesor de lalosa de fondo puede ser reducido y, a veces, hasta eliminado mediante el uso depequeas bases.

Las alcantarillas circulares pueden ser prefabricadas o de diseo especial.

Las prefabricadas se utilizan cuando van a estar sometidas a cargas de relleno y cargashidrostticas, dentro de los lmites normales. Cuando la eficiencia hidrulica es impor-tante, como en el caso de alcantarillas largas, las caractersticas de las alcantarillas deconcreto circulares son decisivas para su eleccin. En efecto, para un permetro dado,la seccin circular tiene mayor rea que cualquier otra forma, lo que significa economa


17/29


174

de materiales. Adems, para un rea dada de seccin circular se tendr el mayor flujodebido al mayor radio hidrulico.

Las alcantarillas de diseo especial son vaciadas en sitio. Las de forma circular seutilizan debajo de grandes rellenos donde se prevn altas presiones. Son adecuadas paravariadas condiciones de cargas, incluyendo grandes presiones internas. Se disean con

la cara inferior relativamente plana, logrando de esta manera una distribucin amplia de lacarga, lo cual proporciona grandes espesores y resistencia en los lados y la transmisinuniforme de los grandes empujes a las fundaciones, y pequeos espesores en la partesuperior para resistir las pequeas presiones y fuerzas cortantes. En resumen, este tipode alcantarilla tiene el diseo hidrulico de un tubo circular, las propiedades de soportede un arco y una base plana tan til como las alcantar illas de cajn.

Cuando las alcantarillas van a estar colocadas debajo de rellenos muy pesados o cuandolas cargas verticales son moderadas pero las presiones laterales son muy pequeaspara ser efectivas en la reduccin de momentos, el tipo de alcantarilla ms econmico autilizar es el que tiene un tope parablico. Esta forma se adapta ms a la lnea depresin de las cargas resultantes y, por lo tanto, gran parte de la carga se transmite

como empuje directo, sin producir grandes momentos flctores.Diferentes formas, incluyendo las parablicas, semielpticas y ovoidales, sonespecialmente efectivas en estos casos y en el mantenimiento de buenas condicioneshidrulicas.En cuanto a la clase de los materiales que se emplean para la fabricacin, no puededecirse que exista uno que sea universalmente superior a los dems. El contenidoqumico de las aguas y la accin abrasiva de las corrientes varan de un lugar a otro y laexperiencia ensea que en algunos sitios las aguas y los suelos cidos corroen lasalcantarillas de metal rpidamente, en tanto que en otros, algunas aguas mineralespueden desintegrar las estructuras de concreto.

Se ha comprobado que los siguientes factores afectan la vida de una alcantarilla: gasto

que fluye a travs de la alcantarilla, velocidad del flujo, contenido de sedimentosabrasivos, concentracin de iones hidrgeno (PH) en el agua, concentracin de ioneshidrgeno (PH) en el suelo, resistividad elctrica del suelo, contenido de carbonato decalcio, sulfatos y slidos disueltos en el agua, caractersticas geolgicas de losmanantiales, presencia de compuestos orgnicos en el agua y afectacin de la hoya pormaterias contaminantes.

El acero galvanizado expuesto a una corriente de agua abrasiva sigue un ciclo deabrasin-corrosin-abrasin. El material abrasivo remueve la relativamente blanda su-perficie de cinc y expone la superficie del acero; ste se oxida y el xido es arrastradopor las corrientes abrasivas. Este mecanismo de ataque ocasiona el desgasteprogresivo del fondo de las alcantarillas de acero, habindose observado que los

mayores daos son producidos ms por el efecto corrosin del par abrasin-corrosinque por la abrasin sola. El proceso progresivo del ciclo abrasin-corrosin se haobservado con todo tipo de flujos abrasivos, incluyendo aquellos que arrastran arena ygrava, acentundose el desgaste cuando el agua es tambin corrosiva.

Cuando se utilizan conductos de aluminio, la resistencia del aluminio a la corrosindebera, tericamente, eliminar la porcin del ataque que corresponde a este agente.Esta resistencia surge de la proteccin que produce la delgada capa de xido o pelculade aluminio que se forma en la superficie, la cual, cuando es daada, se repone


18/29


175

instantneamente. La pelcula ce xido de aluminio es dura y tenaz, excelentedielctrico e inerte a la mayora de los agentes ambientales.Sin embargo, tambin las alcantarillas de aluminio sufren el efecto de la corrosin,debido a que el metal que se usa en la construccin de las alcantarillas es una aleacin.Los otros metales que se aaden para mejorar la resistencia afectan la estructura de lapelcula de xido, ocasionando puntos dbiles en ella.

Cuando se produce el ataque en estos puntos, se forma una picadura en la superficiemetlica, la cual queda posteriormente cubierta o desplazada por el xido de aluminioresultante de la corrosin del sustrato del material. Este xido protege el materialsubyacente del ataque subsiguiente, aunque el aluminio queda visiblemente picadocomo consecuencia de esta corrosin.

El comportamiento del aluminio bajo abrasin es, generalmente, independiente de lacorrosin. La abrasin del fondo de la alcantarilla es el resultado acumulativo del im-pacto de partculas de dureza igual o mayor que la del metal. Factores tales como eltamao de los fragmentos de roca, abundancia, velocidad del arrastre, forma y dureza,influyen notablemente en los efectos abrasivos.

A fin de proteger las alcantarillas contra la corrosin, se han empleado diversos tipos derecubrimientos y aleaciones: las alcantarillas de acero se galvanizan, y se empleanrevestimientos asflticos tanto en las alcantarillas galvanizadas como en las de aluminio;en condiciones crticas, las alcantarillas de acero se revisten de asfalto y asbesto me-diante un proceso adhesivo especial, en tanto que las de concreto se recubren conplstico o arcilla vitrificada o se emplean cementos especiales.

8.6 DISEO HIDRAULICO DE LAS ALCANTARILLAS.

El conocimiento del comportamiento del flujo a travs de las alcantarillas permitiestablecer las relaciones existentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, elgasto y las dimensiones de la alcantarilla.

En muchos casos es difcil predecir el tipo de operacin que se producir para un gastodado y determinada alcantarilla. En algunos casos, el control del flujo cambia al variar elcaudal, fluctuando ocasionalmente de la entrada a la salida o viceversa. Es por ello que,cualquiera que sea el mtodo de diseo que se sigua, es necesario analizar ambos flujos,de manera de poder realizar el diseo para las condiciones mas adversas.

Diversos mtodos han sido propuestos para el diseo hidrulico de las alcantarillas.Algunos de ellos siguen un procedimiento elaborado, el cual conduce a determinar laclase y tipo de operacin del conducto, que corresponden a los mtodos desarrollados porlos Dpto. de Carreteras de Texas y Kentucky (USA.), este mtodo ya no es usado por sermuy elaborado y antiguo. En los ltimos tiempos se consideran los procedimientosabreviados de las Hydraulic Engineering Circulars, como el mas sencillos de aplicar al

diseo. A partir del ao 1961 en que fue publicada la Hydraulic Engineering Circular num.5, el mtodo all sugerido ha adquirido aceptacin general y es la base actual para eldiseo hidrulico de las alcantarillas.

Antes de proceder al diseo el proyectista deber fijar el gasto de diseo la altura de aguapermisible a la entrada, la altura de agua a la salida, la pendiente con que se colocara elconducto, su longitud y tipo de entrada que se ha seleccionado, y la velocidad del flujopermisible a la salida.


19/29


176

La Altura de agua permisible a la entrada (HEP) se considera como la mximaprofundidad que deber alcanzar el agua para garantizar un borde libre mnimo de 0,40m. Entre la superficie del agua y el nivel de la subrasante de la carretera y evitar en loposible inundaciones en las propiedades aguas arriba de la alcantarilla.

El conocimiento de la altura de agua a la salida es importante para determinar la

capacidad de las alcantarillas que fluyen con control a la salida. En muchos casos, elcanal de salida ser relativamente ancho, y la profundidad del agua en el ser menor quela altura de agua a la salida del conducto. En estos casos, la altura de agua a la salida noconstituye un control, por lo que ser innecesario calcularla. Otras veces, la altura deagua, aguas abajo, estar controlada por a1guna obstrucci6n aguas abajo o por unremanso producido por la confluencia. Con otra corriente de agua.

En los casos en que se hace necesario determinarla, la altura de agua a la salida seconsidera como la profundidad normal del cauce o canal donde desemboca la alcantarilla.Cuando este es un cauce natural, de seccin, pendiente longitudinal y rugosidadrelativamente uniformes, la profundidad normal puede aproximarse mediante la formulade Manning, elaborando una curva de rgimen. Esta curva representa el caudal que pasa

por una seccin no revestida (diferentes coeficientes de Manning), irregular a unadeterminada altura de agua.

La velocidad permisible a la salida deber ser aqulla que evite la erosin del terreno enel canal de salida. Para canales no revestidos las velocidades mximas recomendablesson las siguientes:

Tipo de suelo Velocidades enm/seg.

Arena fina- no coloidal 0,75

Greda arenosa- no coloidal 0,75

Greda limosa- no coloidal 0,90

Greda firme 1,00Greda fina 1,20

Arcilla dura- muy coloidal 1,40

Limos aluvionales- coloidales 1,40

Limos aluvionales- no coloidales 0,90

Materiales gradados- nocoloidales

Greda o grava 1,40

Limo a grava 1,60

Esquisto arcilloso 1,80

Grava 1,80

Grava gruesa 2,00Grava a cantos rodados 2,30

Tabla 8.3 Velocidades mximas recomendables en canales no revestidos

Con los datos requeridos indicados anteriormente y utilizando un formato como el de latabla del ejercicio de diseo(a continuacin) y los nomogramas de las Figuras 8.1 a 8.10,el procedimiento de diseo hidrulico de las alcantarillas es el siguiente:


20/29


177

1.Determinacin del tamao de tanteo.

a) Se emplean los nomogramas de las Figuras 8.1 a 8.4 Anexos (control a laentrada).

b) Utilizando una relacin HE/D y la escala que corresponde al tipo de entrada

seleccionada, se determina el tamao de tanteo siguiendo las indicaciones dadas sobrelos mismos nomogramas.

c) Si el tamao as obtenido resultare excesivamente grande para las limitacionesimpuestas por la altura del terrapln, se tantea con un valor de HE/D diferente o se utilizauna batera de alcantarillas, correspondindole a cada alcantarilla un gasto igual al gastototal dividido entre el nmero de conductos que se van a emplear. Otras alternativas aconsiderar, como la elevacin del terrapln o el uso de tubos abovedados o cajones,deben analizarse tambin desde el punto de vista econmico.

2. Calculo de la altura de agua a la entrada.

a) Calculo de la altura de agua a la entrada, con control a la entrada.

Utilizando el nomograma de control a la entrada apropiado al tipo de alcantarilla yconsiderando el tamao tentativo antes seleccionado, se determina en la escalacorrespondiente la relacin HE/D. Se calcula HE = (HE/D) x D.

b) Calculo de la altura de agua a la entrada, con control a la salida.

La altura de agua a la entrada, HE, se calcula a partir de la ecuacin

HE = H + ho So *L

En la que H se determina empleando el nomograma apropiado (control a la salida) al tipode alcantarilla seleccionada (Fig. 8.5 a 8.10 de Anexo), considerando el tamao tentativoya determinado; y donde el valor de ho depende de la altura de agua a la salida. As, siHS es mayor o igual que la altura de la alcantarilla, h. = HS. Si la salida no estasumergida, como en el esquema b de la figura 6.11de anexo, el valor de h ser igual almayor valor entre HS y (d c + D)/2 siendo dc la altura critica en el conducto para el gastode diseo, la cual se puede calcular con las curvas de las Figuras 8.11, a 8.15 de anexos,segn se trate de conductos rectangulares, circulares o abovedados, respectivamente.

De la comparacin de los valores HE obtenidos para el conducto funcionando con controla la entrada y control a la salida se obtiene, para el mayor de ellos, la ubicacin de laseccin de control para las condiciones de diseo fijadas.

3. Calculo de la velocidad a la salida.

a) Alcantarillas que fluyen con control a la entrada.

Si se ha determinado que el control ser a la entrada, la velocidad promedio a la salidapuede aproximarse calculando la velocidad para el conducto trabajando como canalabierto, mediante la frmula de Manning.


21/29


178

Para secciones no rectangulares, la velocidad normal puede calcularse determinandopreviamente la capacidad y velocidad a seccin plena a partir de los grficos de lasFiguras 8.21 a 8.25 de anexo. Conocida la relacin entre el gasto de proyecto y lacapacidad a seccin plena, con la ayuda del grfico de la figura 6.26 de anexo, sedetermina la velocidad normal para el gasto de proyecto.

Para secciones rectangulares, el grfico de la Figura 8.27 anexo, permite calcular laprofundidad normal, de donde, aplicando la frmula de Manning, la velocidad normal.

b) Alcantarillas que fluyen con control a la salida.

Si el control est a la salida, la velocidad promedio a la salida ser V = Q/A, siendo A elrea de la seccin del flujo a la salida.

Si dc o HS son menores que la altura del conducto, se usar el A calculado con dc o HS(el que d mayor rea de flujo).

Si se ha determinado la velocidad a seccin plena empleando las Figuras 8.21 a 8.25 de

anexo, a partir de la relacin d/D o HS/D y utilizando tambin el grfico de la Figura 8.26de anexo, se obtiene el valor V/Vp, de donde se deduce el valor buscado.

8.7 EJERCICIOS DE APLICACIN.

Ejemplo 1. Calculo de caudal (Mtodo Racional).

Determinar el mximo caudal de descarga que necesita una alcantarilla para un periodode retorno de 10 aos y 100 aos. En Cochabamba, sobre un rea de 90 acres (0.405ha.), zona rural empedrada un 80% y campos (suelo arcilloso) 20% del rea total dedrenaje. Dadas las constantes de regresin para 10 aos: a = 185.51 y b = 21.13. Para100 aos: a = 278.85 y b = 23.60. (Valores del manual de drenaje en pulgadas /hora)

Solucin

Paso 1: Recopile la informacin, datos de la utilizacin del suelo, informacin de laprecipitacin, topografa y determine el sitio del anlisis:Lugar: Cochabamba

Pas 2: rea Del Drenaje: Del mapa topogrfico y en campo, el rea de drenaje en ellugar es de 90 acres. (36.422 ha.)

Uso del suelo: el drenaje es estimado de la siguiente forma:

Rural (empedrado) 80% del rea total del drenaje.Suelo arcilloso (pendiente del 2%) 20% del rea total del drenaje.

Paso 3.Superficie = Hierba Media.Longitud del flujo por tierra = 1500 piesPendiente del terreno Promedio = 2,0%.Longitud del canal principal = 2300 pies. (701.04 m.)Pendiente del canal = 1,8%.


22/29


179

Paso 4. Calcular el Tiempo total concentracin (tc).

El tiempo de concentracin en base a la ecuacin (8.2):

385.03

0195.0

=

H

LTc

Tiempo de concentracin para el canal:L: longitud del canal en m: 701.04

H: diferencia de altura m.= L * pendiente = 701.04*1.8/100 = 12.62 m.

Reemplazando en 6.2: min22.1462.12

04.7010195.0

385.03

=

=cT

Tiempo de concentracin para el flujo por la superficie:L: longitud del canal en m: 457.2H: diferencia de altura m.= L * pendiente = 457.2*2*100 = 9.144 m.

Reemplazando en 8.2: min83.9144.9

2.4570195.0

385.03

=

=cT

El tiempo total de concentracin es la suma del flujo por canal mas flujo porla superficie: 24.05 min.

Paso 5. Determine la intensidad de la precipitacin I, usando las constantes de regresin.

La determinacin de la intensidad es en base a curvas IDF o a constantes de regresin.

Dado a = 185.51 y b = 21.13 para 10 aos en la ecuacin de intensidad:

Tcb

aI

+= (pulgadas/hora), entonces para 10 aos se tiene: ./1.4

05.2413.21

51.185hrinI =

+=

igual a

Para 100 aos: a = 278.85 y b = 23.60: ./85.505.246.23

85.278 hrinI =+

=

Paso 6. Determine el coeficiente de escorrenta C, del anexo Fig. 8.15.

Uso del Terreno Porcentaje del rea%

Coeficientedeescorrenta

Chef. De escorrentaenPorcentaje de rea

Rural(empedrado)

80 0.35 0.28

Suelo arcilloso(Pendiente del2%)

20 0.3 0.06

TOTAL COEFICIENTE DE ESCORRENTIA 0.34

Y Cf de la tabla 8.1 se tiene para 10 aos Cf = 1.0 y para 100 aos Cf = 1.25.Entonces Cf (10)*C = 0.34 * 1.0 = 0.34 menor a 1.0 OK.Cf (100) * C = 0.34 * 1.25 = 0.425 OK:


23/29


180

Paso 7. Calculo de Descarga (Qt)

Q = Cf *C *I *A;Q (10) = 0.34 * 4.1 * 90 = 125.46 pies3/ seg.= 3.553 m3/seg.Q (100) = 0.425 * 4.1 * 90 = 156.825 pies3/seg. = 4.441 m3/seg.

Ejemplo 2. Diseo de alcantarillas.

Disear una alcantarilla de metal corrugado con entrada proyectante de 54 a 60 (pordisponibilidad del lugar), dados los siguientes datos: caudal de diseo para 25 aos 5m3/seg., para 50 aos 10 m3/seg. Profundidad de salida estimada 0,91 m., cargapermisible a la entrada 3 m. (por el terrapln), cota rasante carretera 120 m. cota rasanteentrada alcantarilla 100 m. pendiente alcantarilla 5%, longitud alcantarilla 60 m. velocidadpermisible canal de salida 6 m/seg. (Canal revestido).

Solucin:

En la siguiente tabla de diseo se completa los datos del proyecto, luego probar con un caudal de

frecuencia de 25 aos con el dimetro de 60, columna 1 y2 de la planilla.

Diseo Control a la entrada:De la Figura 8.2 anexo, con los valores de la columna 1 y columna 2, se tiene la columna 3 HED=1.48 aprox. OK.

Despejo HE de la relacin HE/D, en la columna 4, dando HE igual a 2.25 m.

Diseo Control a la salida:De la Figura 8.20 anexo CE, para entrada proyectante(o extremo saliente), 0.9. columna 5

De la Figura 8.6 anexo, siguiendo los pasos de la lmina se tiene en la columna 6 H = 1.7.

Columna 7. Calculo de dc de la Figura 8.12 anexo, dc prximo a 1.12.

Columna 8, (dc+D)/2 igual a 1.32 m.

Columna 9, HS altura a la salida estimada.

Columna 10, ho el mayor entre HS y (dc+D)/2, entonces ho igual a 1.32 m.

Columna 11, calcular So *L igual a 3 m.

Columna 12, calculo de HE de la ecuacin: HE = H +ho So *L, igual 0.02 m.

Columna 13, el mayor entre HE columna 4 y HE columna 12, que es 2.25 m.

Columna 14, de la Figura 8.22 anexo o hallar la hn de Manning, se tiene v =4,6 m/s, aprox.

Conclusin: como no se alcanzo la velocidad mxima ni la altura HED mximo,se prueba con D = 54

Entonces al probar con D =54, se tiene los valores de la tabla, los valores, con este dimetrocumple, entonces probar con una descarga de 50 aos de frecuencia.

Al probar con este dimetro, la altura a la entrada se sobrepasa, pasar al dimetro superior.Con el dimetro D = 60, cumple satisfactoriamente las condiciones de inicio.


24/29


181

Ejemplo 3.

Dado un caudal de 4 m3/ s. y un tubo de concreto de 48, calcular la altura a la entrada dela alcantarilla, que tenga menor carga sobre el terrapln de la carretera.

Solucin:

Con los datos dados, en la Figura 8.1 de los anexos se tiene lo siguiente:

Tipo HE/D HE (m)

(1) 1,95 2,4

(2) 1.65 2,0

(3) 1.70 2.1

De donde la alcantarilla con entrada tipo (2) es la que tiene menor carga sobre el terraplnde la va.

Ejemplo 4.

Hallar la altura de carga en un tubo circular de concreto de 48, con aletas a 45 longitud40 m.Y un caudal de 2 m3/s.Solucin:

De la Figura 8.6 de anexos, siguiendo los pasos se tiene H = 0.55 m.

Ejemplo 5.

Disear una alcantarilla usando dos secciones cajn cuadradas de concreto armado (n =

0.012), con entrada Tipo III, aletas o muros de cabecera = 0, con salida no sumergida,dados los siguientes datos:

Qdiseo = 8 m3/s.Profundidad de salida 1.00 m.Carga permisible a la entrada 3.25 m.Pendiente de la alcantarilla 1%.Velocidad permisible de salida 4 m / s.Longitud alcantarilla 50 m.

HE

VISTA FRONTAL DE LA ENTRADAVISTA LONGITUDINAL

Hs

NOTA: Usar dos decimales en los valores de tablas, y mltiplos de cinco (redondeo).


25/29


182

Solucin:

Como se usan dos secciones cajn entonces el caudal de diseo por alcantarilla es: Qi =Qt /2

Qi = 8/2 = 4 m3/s.

Con la ecuacin de continuidad se toma la primera seccin de diseo de las alcantarillas:A = Qi/V

A = B*B ; B = (Qi/V)0.5 = (4/4)0.5 = 1,0 m entonces tomar rea de 1,0 por 1,0 m2

Diseo control a la entrada:

Con la Figura 8.4 anexos y Q/B = 4,0 se tiene HE/D 3.2 entonces HE = 3.20 m.

Diseo control a la salida:

Figura 8.20 anexo hallar CE con los datos del tipo de control a la entrada se tiene CE =0.7

Hallar H en la Figura 8.10 anexo con el rea A =1.0 m2 se tiene H 2.25 m.

Hallar dc, con la Figura 8.11 anexo; con Q/B =4.0 m3/s, se tiene dc = 1.0 m.

Calcular (dc+D)/2, reemplazando se tiene 1.0 m.

Hs = 1.0 m dato.

Calcular h0 que es el mayor entre (dc+D)/2 y Hs, entonces h0 = 1.0 m.

Calcular L*S0 50*1/100= 0.50 m.

Calcular HE = H + h0 + L*S0 = 2.25+1.0-0.5 = 2.75 m.

Entonces HE es el mayor calculado entre los mtodos de control a la entrada y salida quees HE = 3.20 m y es menor al mximo permitido 3.25 m OK!

La velocidad de salida con Manning V=1/n*Rh2/3*S0.5 se tiene 4.006 m/s que es prximo a

la velocidad permisible 4.0 m/s.Conclusin para estas condiciones la seccin cuadrada que satisface es una de 1.0 m por1.0m.

8.8 APLICACIN DE PROGRAMAS EN EL DISEO DE ALCANTARILLAS.

Para el clculo de caudal de diseo para drenajes superficiales se encuentra disponible elprograma CALCANT elaborado por Daniel Prudencio Corts en la UMSS. Esteprograma contiene el mtodo Racional expuesto en este capitulo, adems contiene eldiseo con hidrogramas unitarios.Para el diseo de alcantarillas se tienen disponibles de forma gratuita los siguientesprogramas que tienen como base el mtodo expuesto anteriormente:


26/29


183

CALCANT, Elaborado por Daniel Prudencio Corts en la UMSS. HIDROCALC, programa americano de libre uso elaborado por DODSON. CULVERMASTER, elaborado por Haestad Methods.

8.8.1 Aplicaciones para el clculo de caudal de diseo.

El uso del programa CALCANT en el clculo de caudal de diseo se tiene establecido acontinuacin con el siguiente ejemplo:

Ejemplo 6.Determinar el caudal mximo de descarga que necesita una alcantarilla para un periodode retorno de 25 aos, en Cochabamba sobre un rea de 5 Km2, el cauce principal tieneuna longitud de 2 Km. y una pendiente de 0.1 %, se tiene una precipitacin de 150 mm,en la zona de diseo, un coeficiente de escorrenta de 0.34 para un suelo arcilloso,disear con el mtodo Racional.

Solucin:Al entrar al programa CALCANT, entrar a: Calcular / Caudal de Proyecto.

Aqu aparece la ventana: Calculo del caudal del proyecto.A continuacin llena la planilla con los datos del proyecto como se muestra en la siguientefigura:

Aceptar la informacin: apretando Continuar.

En la ventana Datos adicionales, completar con el coeficiente de escurrimiento y en laventana tiempo de concentracin elegir promedio como se muestra a continuacin:


27/29


184

Como solucin se tiene como la siguiente tabla que da como resultado el caudal maximocon el mtodo Racional.

8.8.2 Diseo de alcantarillas con CALCANT

El diseo de alcantarillas con el programa CALCANT, se expone a continuacin usandolos datos del ejemplo 2, para as dar una comparacin del diseo manual con respecto ala aplicacin del programa

Ejemplo 7.

Disear una alcantarilla para un caudal de 5 m3/s y para una tubera de 60 (1.5 m), y losdatos del ejemplo 2. Donde la cota solera a la salida es 2500 m.s.n.m. y un coeficiente demanning 0.024.

Solucin:En el programa CALCANT entrar a: Archivos / Administrador de proyectos.En Administrador de proyecto: Agregar proyecto: nombrar el proyecto como ejemplo 7,llenar los datos que se piden del proyecto Aceptar y Continuar.En Agregar seccin: crear la seccin Metal, luego apretarEditar seccin.


28/29


185

En la ventana Clculo hidrulico de alcantarillas, llenar las casillas apretandopreviamente Modificar, luego de llenar los datos apretar Calcular. Como muestra lasiguiente pantalla:

Obteniendo como resultados la velocidad a la salida de la alcantarilla en la pantalla.Y se obtiene un reporte completo en la opcin del programa: Reporte de Hidrulica.


29/29


8.9 EJERCICIOS PROPUESTOS

8.1 Calcular el caudal de diseo por el mtodo racional con los siguientes datos:Periodo retorno de 10 aos y 100 aos. En Cochabamba, Sobre un rea de 1000acres, Zona rural empedrada un 50% y campos (suelo arcilloso) 50% del rea totalde drenaje. Dadas las constantes de regresin para 10 aos: a = 185.51 y b =

21.13. Para 100 aos: a = 278.85 y b = 23.60. (Valores del manual de drenaje enpulgas /hora)

8.2 Determinar la dimensin de una alcantarilla tipo cajn para las siguientescondiciones. Ancho dos veces el Alto. Q =10m3/s., HS=0.7 m., vs=0.3m/s., L= 45m., So=0.8%, altura a la entrada 2.5 m.

8.3 De la Figura 8.2 a 8.5 anexo resolver los ejemplos, para los distintos tipos dematerial, haciendo como variable para cada ejemplo el caudal.

8.4 los valores dados para una alcantarilla circular de concreto con control a la

entrada, con entrada tipo II, para un dimetro de tubera de 3 pies, desea evacuar70 pies3/s, determinar la altura mxima a la entrada de la alcantarilla.

8.10 BIBLIOGRAFIA.

Villn Bjar Mximo. Diseo de estructuras hidrulicas. Instituto Tecnolgico de CostaRica Departamento de Ingeniera Agrcola. Primera edicin, agosto del 2000.

Institucin de enseanza en ciencias agrcolas. Manual de Proyectos de Pequeas obrasHidrulicas para riego, Tomo 2, Chapingo 1980.

Carciente Jacob, Estudio y proyecto de Carreteras, 2 Edicin Vega, Caracas, Venezuela.

DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES DE VIRGINIA, Manual de Drenaje, abril del 2002.Vnculo en Internet: http://www.virginiadot.orgl

Software DISEO DE DRENAJE PLUVIAL, Daniel Antonio Prudencio Cortez, UMSS.

105255557 Drenaje Superficial Sobre Carreteras Alcantarillas

Documents

Transcript of 105255557 Drenaje Superficial Sobre Carreteras Alcantarillas