3. Hidrologia y Drenaje

“Construcción de la trocha carrozable a nivel de afirmado San José – Pampa La Purla, Distrito De Encañada – Cajamarca – Cajamarca”

CAPITULO III

HIDROLOGIA Y DRENAJE

1.1 ESTUDIO HIDROLOGICO

En algunos Proyectos de ingeniería para poder dimensionar obras de drenaje es necesario calcular la escorrentía directa a partir de datos de intensidades de precipitación de una determinada cuenca hidrológica, ya que de ello dependerá la eficiencia y buen funcionamiento de las estructuras hidráulicas tales como cunetas, puentes, alcantarillas, etc. que se diseñan en los proyectos de carreteras.

A. DETERMINACION DEL CAUDAL DE DISEÑO

Debido a que la cuenca en estudio no cuenta con información, se ha creído conveniente generar intensidades a partir de una que tenga registros de intensidades y con ayuda del análisis dimensional y semejanza dinámica, se obtuvieron los principales parámetros geomorfológicos y variables de las microcuencas en estudio.

El estudio consistirá en:

Ajustar estos datos a distribuciones de valores extremos, haciendo uso del modelo Gumbel, para realizar el modelamiento de intensidades con diferentes tiempos de duración, de entre los cuales se considerará la más apropiada, la distribución que tenga el menor valor del estadístico Simimov-Kolmogorov. Luego, basándonos en el modelo elegido, calculamos las intensidades máximas para el tiempo de retorno y periodo de vida útil que tendrá nuestra carretera. Esto genera un cuadro de simulación del modelo.

De este último cuadro se escogen las intensidades máximas; para lo cual es necesario calcular los tiempos de concentración de las áreas a drenar. Para escoger el periodo de vida útil, el riesgo de falla y el tiempo de retorno, se consideraron criterios económicos, técnicos, sociales y ambientales.

Una vez echa la evaluación y determinación de los caudales de aporte, se determinan los caudales de escurrimiento de la microcuenca en cada área tributaria determinada para las estructuras de drenaje, haciendo uso del Método racional.

Para ello se considerada como estación índice a la “estación Augusto Weberbauer”, la cual contiene datos actualizados, desde el año 1976 hasta 2001, el cual abarca datos correspondientes al periodo del fenómeno del niño generando intensidades para periodos de duración de 5,10,30, 60 y 120 min.

B. PARAMETROS DE DISEÑO

El análisis de máximos eventos hidrológicos permite predecir el comportamiento de descargas máximas, para el dimensionamiento de estructuras hidráulicas (control, conducción, almacenamiento y manejo de avenidas), tiene importancia en la atenuación de daños por inundaciones.

Ingº Jorge H. Mendoza Aguilar


Resulta fácil diseñar una estructura con capacidad para corto gasto, pero es bastante difícil diseñar para el gasto de diseño teniendo en cuenta que el sobre dimensionamiento o sub dimensionamiento repercute en la economía y/o seguridad del proyecto.

El estudio hidrológico tiene relación con el período de retomo que depende de la vida económica de la estructura y el riesgo de falla considerado, de tal manera que las estructuras funcionen eficientemente durante el período de vida útil y con la máxima economía posible.

RIESGO DE FALLA (J). Representa el peligro a la probabilidad de que el gasto de diseño sea superado por otro evento de magnitudes mayores. Si llamamos P, a la probabilidad acumulada de que no ocurra tal evento, es decir, que la descarga considerada no sea igualada o superada por otra, entonces la probabilidad de que ocurra dicho evento en N años consecutivos de vida, representa el riesgo de fallo (J) y está dado por:

J=1−PN...........(5.2)

TIEMPO O PERIODO DE RETORNO (Tr): Es el tiempo Transcurrido para que un evento de magnitud dada se repita en promedio. Se expresa en función de la probabilidad P de no ocurrencia.La probabilidad de ocurrencia está dada por 1-P y el tiempo de retorno se expresa mediante:

Tr= 11−P ..........(5.3.a)

Eliminando el parámetro de las ecuaciones anteriores se tiene:

Tr= 1

1−(1−J )1N

.........(5.3.b)

Ecuación que se utiliza para estimar el tiempo de retorno Tr para diversos riesgos de falla vida útil N de la estructura.

Para el diseño de las diferentes obras de arte, es preciso conocer las magnitudes de los eventos que se presentan para diferentes periodos de retorno, según la importancia del proyecto y los años de vida útil de cada estructura.



TABLA N ° 2.3.1.TIEMPO DE RETORNO PARA DIFERENTES TIPOS DE ESTRUCTURAS


TIPOS DE ESTRUCTURAPERIODOS DE RETORNO

(AÑOS)

ALCANTARRILLAS DE CARRETERASVolúmenes de tráfico bajos.Volúmenes de tráfico intermedios.Volúmenes de tráfico altos.PUENTES DE CARRETERASSistema secundario.Sistema primarioDRENAJE AGRICOLACulvetsSurcosDRENAJE URBANOAlcantarillas en ciudades pequeñas.Alcantarillas en ciudades grandes.AEROPUERTOSVolúmenes bajos.Volúmenes intermedios.Volúmenes altos.DIQUESEn fincas.Alrededor de ciudades.PRESAS CON POCA PROBABILIDAD DE PERDIDAS DE VIDAPresas pequeñas.Presas intermedias.Presas grandes.PRESAS CON PROBABILIDAD DE PERDIDAS DE VIDAPresas pequeñas.Presas intermedias.Presas grandes.PRESAS CON PROBABILIDAD DE ALTAS PERDIDAS DE VIDAPresas pequeñas.Presas intermedias.Presas grandes.

5 – 1010 – 2550 – 100

10 – 5050 – 100

5 – 505 – 50

2 – 2525 – 50

5 – 1010 – 2550 – 100

2 – 5050 – 100

50 – 100100+

-

100+--

---


FUENTE: Hidrologìa Aplicada, Ven Te Chow. Pag. 430.

VIDA ECONÓMICA O VIDA ÚTIL (N). Se define como el tiempo ideal durante el cual las estructuras e instalaciones funcionan al 100% de eficiencia ya sea por su capacidad o por su resistencia; pasado dicho tiempo o periodo se debe realizar una ampliación o nuevo diseño. Depende de varios factores:

- Durabilidad de las instalaciones.

- Facilidad de construcción y posibilidad de ampliación o sustitución.

- Posibilidad de financiamiento.

- Tendencia del crecimiento poblacional.

- Rentabilidad.

TIEMPO DE CONCENTRACIÓN (Tc). Se define como el tiempo necesario para que una gota de lluvia llegue a una alcantarilla o desagüe pluvial (punto emisor) desde el punto más remoto de la cuenca.Se calcula por la fórmula empírica siguiente:

Tc=0 .3∗( L

S1/4)0 .76

.........(5.4)

Donde:

Tc: Tiempo de concentración (horas).

L: Longitud del curso mayor (Km).

S: Pendiente del curso principal (adimensional).

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA (C). Es la relación entre el agua que corre por la superficie del terreno y la total precipitada. Es difícil determinar con exactitud su valor, ya que varía según la topografía, la vegetación, la permeabilidad y la proporción de agua que el suelo contenga, también depende de la extensión de áreas pavimentadas y construidas.

Para estimar el valor del coeficiente de escorrentía se podrá usar la Tabla N ° 2.3.2.



TABLA N ° 2.3.2COEFICIENTES DE ESCORRENTÌA PARA SER USADOS EN EL MÉTODO

RACIONAL.

Áreas no Desarrolladas.Áreas de cultivos

Plano

0 – 2 %

0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.57

Promedio

2 – 7 %

0.35 0.38 0.41 0.44 0.48 0.51 0.60

Pendiente

Superior a 7 %

0.39 0.42 0.44 0.48 0.51 0.54 0.61

Pastizales

Plano

0 – 2 %

0.25 0.28 0.30 0.34 0.37 0.41 0.53

Promedio

2 – 7 %

0.33 0.36 0.38 0.42 0.45 0.49 0.58

Pendiente

Superior a 7 %

0.37 0.40 0.42 0.46 0.49 0.53 0.60

Bosques

Plano

0 – 2 %

0.22 0.25 0.28 0.31 0.35 0.39 0.48

Promedio

2 – 7 %

0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.56

Pendiente

Superior a 7 %

0.35 0.39 0.41 0.45 0.48 0.52 0.58

FUENTE: Hidrología Aplicada, Ven Te Chow. Pag. 511.

ÁREA TRIBUTARIA (A). Las áreas tributarias se delimitan en el plano a curvas de nivel, con la finalidad de determinar el caudal de diseño con el que se diseñarán las cunetas, alcantarillas, pontones o puentes.

DESCARGA DE DISEÑO (Q). Es el valor máximo del caudal instantáneo que se espera ocurrir con determinado periodo de recurrencia, durante los años de vida útil de un proyecto. Para determinar la escorrentía máxima en estructuras hidráulicas menores: alcantarillas, canales de desviación, acequias de infiltración, etc.; el método más usado es el método racional.

Formula del Método Racional:



Q=CIA360 ........(5.5)

Donde:

Q: Descarga de diseño (m3/s).

C: Coeficiente de escorrentía superficial (ver cuadro).

I : Máxima intensidad de precipitación correspondiente al tiempo de

concentración (mm/h).

A: Área a drenar o tributaria (Ha).

1.2 ESTUDIO Y DISEÑO DE DRENAJE

El agua superficial en las carreteras crea peligros para el tránsito, causando la erosión y grandes gastos de conservación. También se filtran en la sub-rasante dejando el pavimento y sus banquetas sin sostén. Es por esto que el drenaje es uno de los factores más importantes en el diseño de carreteras.

A.- OBJETIVO DEL DRENAJE.

El objetivo fundamental del drenaje es alejar las aguas de la carretera, para evitar la influencia de las mismas sobre su estabilidad y transitabilidad, así como también minimizar las operaciones de conservación.

B.- CONDICIONES DE UN BUEN DRENAJE.

Para lograr que una vía, en general, cuente con un buen drenaje se debe evitar que:

- El agua superficial circule en cantidades excesivas sobre el pavimento.

- El agua de lluvia, se infiltre hacia la sub-rasante, la sature y Origine el debilitamiento, disminuyendo la capacidad del suelo para soportar las cargas de servicio y trayendo como consecuencia asentamientos perjudiciales en la estructura del pavimento.

- Los taludes de corte se saturen dando lugar a los derrumbes y deslizamientos.

- El agua subterránea ascienda hacia la sub-rasante.

C.- CLASIFICACIÓN DEL DRENAJE.

El drenaje se clasifica en Superficial y Subterráneo.

C.1 EL DRENAJE Superficial

Este drenaje se clasifica según la posición que las obras guardan con respecto al eje de la carretera, tenemos:



a) DRENAJE LONGITUDINAL. Es aquel que tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar que lleguen a la carretera o permanezcan en ella, quedan comprendidos en este tipo: las cunetas, contracunetas, y canales de encauzamiento.

Cunetas: Son canales que se hacen en todos los tramos en ladera y corte cerrado de una carretera y sirven para interceptar el agua superficial que proviene de los taludes cuando existe corte y del terreno natural adyacente.

TABLA 2.3.3.DIMENSIONES MÍNIMAS DE CUNETAS

REGIÓN PROFUNDIDAD (m) ANCHO (m)

Seco 0.20 0.50

Lluvioso 0.30 0.75

Muy lluvioso 0.50 1.00

FUENTE: Diseño de Caminos no Pavimentados de Bajo Volumen de Transito.

Cabe indicar que el ancho es medido desde el borde de la Sub-rasante hasta la vertical que pasa por el vértice inferior. La profundidad es medida verticalmente desde el nivel superior del borde de la Sub-rasante hasta el fondo o vértice de la cuneta.

Contracunetas: Son zanjas que se hacen en lugares convenientes con el fin de evitar que llegue a las cunetas más agua que aquella para la cual están proyectadas. Las contracunetas son construidas con el fin de recoger y encausar el agua que proviene de zonas más alejadas y se dirigen al camino. Son colocadas en forma transversal a la pendiente del terreno, las cuales interceptan el paso del agua y la alejan de los terraplenes y cortes.

Las dimensiones se fijarán de acuerdo a las condiciones pluviométricas de la zona, siendo la sección trapezoidal la más común.

b) DRENAJE TRANSVERSAL. Llamadas también Obras de Cruce y tiene por objeto dar pase al agua que cruza de un lado a otro de la carretera, o bien, retirarla lo más pronto posible de su corona. En estas obras de cruce están comprendidas las alcantarillas, los puentes, los pontones, los badenes y el bombeo de la corono.

Alcantarillas: Son estructuras de forma diversa que tienen la función de conducir y desalojar lo más rápidamente posible el agua de las cunetas, hondonadas y partes bajas del terreno que atraviesan el camino. Pueden clasificarse en alcantarillas rígidas y flexibles.

- - Las alcantarillas rígidas suelen ser de concreto, losas de concreto armado sobre estribos de mampostería de piedra o de concreto ciclópeo o simple, hierro fundido o arcilla.

- Las alcantarillas flexibles son generalmente tubos corrugados de metal, o láminas delgadas de acero.

Puente: Es una edificación de servicio, en el sentido que se proyecta para permitir que una vía de alguna índole, pueda continuar en sus mismas condiciones al verse interrumpida por un cruce natural: un río, una quebrada, una vía de agua, un valle o una bahía; o un obstáculo artificial como: otra vía de circulación, una carretera o una avenida dentro de la ciudad.



Pontón: Puente de dimensiones pequeñas.

Badenes: Son estructuras hidráulicas que se construyen transversalmente al eje de la carretera con la finalidad de dar paso a un caudal de agua. Pueden ser de Concreto Simple, empedrado o afirmado. Su forma tiende a semejarse a una parábola.

Bombeo: Inclinación lateral a partir del eje de la vía hacia los bordes, su función es eliminar el agua que cae sobre la corona y evitar en lo posible que penetre en las terracerías. El bombeo que debe emplearse depende de la clase de superficie, facilidad de circulación de los vehículos y aspecto del camino. Se acostumbra emplear un bombeo de 2% para los caminos asfaltados y de 1.5% para los de concreto hidráulico.

TABLA 2.3.4.PRINCIPALES CRUCES DE AGUAS

NOMENCLATURA ANCHO DE CAUCE

Alcantarilla 1 m L 4 m

Pontón 4 m L 10 m

Puente L 10 m

1.3 DISEÑO DE OBRAS DE ARTE

A.- DISEÑO DE CUNETAS.

Lo que se persigue en el diseño de cunetas es que sean de sección transversal eficiente y que sean fáciles de construir y conservar.

A.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

- Seguridad y Economía. En el diseño de cunetas se debe procurar hacerlas de secciones constantes, pequeñas y poco profundas como sea posible.

- Pendiente. Se tiende a diseñar con la misma pendiente del camino en el tramo correspondiente, pero, ésta no debe de ser menor del 1.00 % para evitar problemas en sedimentación ni mayor de aquella que permita superar la velocidad permisible para evitar la erosión.

- Velocidades Admisibles. La velocidad ideal es la que lleva el agua sin causar obstrucción ni erosión.



TIPO DE SUPERFICIE

MÁXIMA

VELOCIDAD

ADMISIBLE (M/SG.)

Arena fina o limo (poca o ninguna arcilla) 0.20 – 0.60

Arena arcillosa dura, margas duras 0.60 – 0.90

Terreno parcialmente cubierto de vegetación 0.90 – 1.20

Arcilla, grava, pizarras blandas con cubierta vegetal 1.20 – 1.50

Hierba 1.20 – 1.80

Conglomerado, pizarras duras, rocas blandas 1.40 – 2.40

Mampostería, rocas duras 3.00 – 4.50*

Concreto 4.50 – 6.00*

* Para flujos de corta duración.

FUENTE: Diseño de Caminos no Pavimentados de Bajo Volumen de Transito.

A.2. DISEÑO DE LA CUNETA.

Siendo bastante incierto los factores que intervienen en la determinación del área hidráulica, el Ingeniero determina, a su juicio, la forma y dimensiones de las cunetas, de acuerdo con las condiciones climatéricas, topográficas y geológicas del lugar.

Las cunetas generalmente se construyen de sección transversal triangular o trapecial y su diseño se basa en los principios del flujo en los canales abiertos, siendo la formula más usada para el cálculo la FORMULA DE MANNING.

V= R2/3×S1/2

η yQ= A×R2/3×S1/2

η ......(5.6)

Donde:

V: Velocidad promedio en metros por segundo.

Q: Descarga en metros cúbicos por segundo.

A: Área de la sección transversal del flujo en metros cuadrados.

R: Radio hidráulico en metros (área de la sección transversal entre el perímetro

mojado).

S: Pendiente del canal en metros por metro.

: Coeficiente de rugosidad de Manning.

B. DISEÑO DE ALCANTARILLAS Y ALIVIADEROS

B.1 PARTES DE UNA ALCANTARILLA:



- Cañón: Forma el canal de la alcantarilla y es la parte principal de la estructura.

- Muros de Cabeza: Sirven para impedir la erosión alrededor del cañón, para guiar la corriente y para que el terraplén invada el canal.

B.2 CLASIFICACIÓN:

Según su forma se clasifican en:

- Alcantarillas de tubo,

- Alcantarillas de cajón y

- Alcantarillas de bóveda.

B.3 UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS

Las alcantarillas se colocan, generalmente en el fondo del cause que desaguan, debe procurarse no forzar los cruces, además no debe tratarse de reducir el número de alcantarillas, sino por el contrario, es conveniente colocar todas las alcantarillas que sean necesarias para un funcionamiento eficaz del drenaje.

Sin embargo, cuando el esviajamiento de una corriente es menor de 5 grados es preferible hacer la estructura perpendicular al camino suprimiendo el esviajamiento y rectificando ligeramente el cauce como se muestra en la siguiente figura.

En aquellos casos en los que la dirección de la corriente con la normal del eje de la carretera formen un ángulo mayor de 5 grados, es preferible alinear la alcantarilla con el fondo del arroyo.



Es conveniente aliviar a las cunetas cada cierta distancia mediante el empleo de una alcantarilla de alivio que sirva para dar salida a toda el agua que esté arriba de ella, lográndose que el caudal de la cuneta no pase de cierto límite.

B.4 DISEÑO DE ALCANTARILLAS

Existen 3 métodos generales para determinar el tamaño de una alcantarilla:

1.- Inspección de estructuras viejas existentes.

2.- Uso de fórmulas empíricas que dan áreas directamente.

3.- Uso de fórmulas para hallar la cantidad de agua que llega a la

alcantarilla, empleando luego una segunda fórmula para determinar el

tamaño adecuado para descargar dicho caudal.

En nuestro caso se ha estado trabajando en la tercera opción al haber calculado los caudales que deberá evacuar cada alcantarilla y aliviadero, esto se calculó empleando el método racional.

A continuación habiendo elegido usar las alcantarillas tipo ARMCO, por razones económicas y de aspecto constructivo, el método a seguir para el cálculo de diámetros es el expuesto en el “Manual de Drenaje y Productos de Construcción ARMCO” que se indicará más adelante.

Determinación del Diámetro

El objeto es determinar la profundidad crítica (tirante de agua crítica) en un conducto circular para lo cual deberá considerarse la ley de velocidad crítica.

1. PROCESO CONSTRUCTIVO.

El proceso que a continuación describimos es el empleado para alcantarillas de tubo metálico corrugado (ARMCO) empleados en el diseño.

Para la colocación de las planchas, previamente se debe preparar una base de material resistente, la cual será compactada convenientemente a fin de permitir una distribución uniforme de los esfuerzos y así evitar asentamientos. Los tubos nunca deben instalarse sobre césped, tierra congelada o lechos que contengan piedras o rocas.



Para asegurarse un buen desempeño estructural, el material de relleno debe ser preferentemente granular, sin embargo también puede emplearse material del tipo cohesivo si se presta especial atención a la compactación con proporción óptima de humedad. El material granular muy fino puede infiltrarse dentro de la estructura y debe evitarse cuando se localiza una napa freática elevada. Puede colocarse una cubierta de plástico o una capa infiltrante entre el suelo y la tubería. En caso de contar con dicho material se colocará el material disponible cuidadosamente seleccionado y compactado; no deberá contener piedras mayores de 7 cm. de diámetro, tampoco se podrá emplear escorias o tierras con elevado porcentaje de material orgánico. Un material ideal es constituido por material granular con pequeñas cantidades de limo o arcilla.

Para la instalación de estructuras ARMCO, no se necesita de equipos pesados y el peligro de rotura o de desperdicio es mínimo. Se recomienda que el ancho de excavación sea como mínimo el doble del diámetro del tubo utilizado.

Ventajas del uso de alcantarillas tipo armco:

- Fácil instalación.

- Gran resistencia para absorbe sobrecargas, vibraciones y asentamientos

diferenciales.

- Gran durabilidad.

- Su instalación no depende de condiciones climáticas.

- Son de fácil transporte.

2. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS

Diámetro: Para el cálculo de los diámetros de las alcantarillas se utilizo las siguientes formulas:

D = (0.868 Q)2/5…………………. (5.7)

Ecuación que proporciona el diámetro del tubo en la sección crítica, cuando la pendiente es suficiente para no causar el efecto del remanso.

Pendiente: Determinado el diámetro del tubo, el paso siguiente consiste en determinar la pendiente necesaria para permitir que el agua pase por la sección crítica sin que se produzca el efecto de remanso.

S=1 .374

D1/3……………………. (5.8)

Esta ecuación da el tanto por ciento de la pendiente en la que debe ser colocado el tubo para que el agua que pasa por la sección crítica fluya sin formar remanso.


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