Alcantarilla y Sifones

CURSO : HIDRÁULICA APLICADA

DOCENTE : Ing. HAMILTON VLADIMIR CUEVA CAMPOS

INTEGRANTES: CHIROQUE NIMA WILLIAM

RAMOS FERNÁNDEZ ALAIN

PANTA BARANDIARAN JUAN

CICLO : 2013-I

LAMBAYEQUE, NOVIEMBRE DEL 2013

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

ALCANTARILLA Y SIFON

El diseño de alcantarillas y sifones deberá realizarse en función de

las características de la cuenca hidráulica a ser drenada y de la

carretera a la que prestará servicio. Como los sistemas de drenaje

inciden en los costos de conservación y mantenimiento de las

carreteras, es necesaria que sean proyectadas considerando que su

funcionamiento deberá estar acorde con las limitaciones impuestas

por los sistemas de conservación y métodos de mantenimiento.

2013DISEÑO DE UNA ALCANTARILLA CIRCULAR TIPO TMC

Página 1 UNPRG-2013-I HIDRAULICA APLICADA

I.- INTRODUCCIÓN

DEFINICION

Las alcantarillas son conductos cerrados, de forma diversa, que se instalan o

construyen transversales y por debajo del nivel de la subrasante de una

carretera, con el objeto de conducir, hacia cauces naturales, el agua de lluvia

proveniente de pequeñas cuencas hidrográficas, arroyos o esteros, canales de

riego, cunetas y/o del escurrimiento superficial de la carretera.

De acuerdo a las condiciones topográficas del corredor de la carretera, se puede

considerar que las alcantarillas servirán para drenar: planicies de inundación o

zonas inundables, cuencas pequeñas definidas o para colectar aguas

provenientes de cunetas.

También podríamos decir que es un canal cubierto de longitud relativamente

corta diseñado para conducir el agua a través de un terraplén (por ejemplo,

carreteras, vías de ferrocarril, presas). Es una estructura hidráulica que puede

conducir aguas de creciente, aguas de drenaje, corrientes naturales por debajo

de la estructura de relleno en tierras o en rocas.



II.- ALCANTARILLAS

ELEMENTOS CONSTITUYENTES

Los elementos constitutivos de una alcantarilla son: el ducto, los cabezales, los

muros de ala en la entrada y salida, y otros dispositivos que permitan mejorar las

condiciones del escurrimiento y eviten la erosión regresiva debajo de la

estructura.

Entre las principales tenemos:

Bocatoma: entrada o abanico.

Barril: cuerpo central o garganta

Difusor: salida o abanico de expansión.

Batea: es el fondo del barril o cuerpo central.

Corona o Clave: es el techo del cuerpo central o garganta.

Muros Aleta: son los muros que permiten la transición del flujo a la

entrada y a la salida de la estructura de cruce.



MATERIALES

Los materiales que se utilizarán en la construcción de las alcantarillas serán de

TC (tubería de concreto) TMC (tubos metálicos corrugados) CCA (Cajones de

concreto armado), aunque las alcantarillas metálicas son de fácil instalación, en

zonas de alto potencial corrosivo, se debe preferir el uso de alcantarillas de

concreto.

CUENCA DE DRENAJE.

La cuenca de drenaje de una corriente es el área que contribuye al escurrimiento

y proporciona parte o todo el flujo del curso tributario. El área drenante es, por

tanto, un factor importante para la estimación de la avenida de diseño y deberá

ser cuidadosamente definida por medio de: a) fotografías aéreas, b)

levantamiento topográfico, c) cartas topográficas y d) observaciones en el

terreno.

El escurrimiento en una cuenca dependerá de diversos factores, tales como el

área, la pendiente, las características del cauce principal (longitud y pendiente),

elevación (cota) de la cuenca y red de drenaje.

No se puede analizar con el mismo criterio una cuenca pequeña o tributaria que

una cuenca grande. En una cuenca pequeña, la forma y cantidad del

escurrimiento están influenciadas por las condiciones físicas del suelo; por lo



tanto, el estudio hidrológico deberá enfocarse con más atención a la cuenca

misma. En cambio en una cuenca grande, el efecto de almacenaje del cauce es

muy importante, por lo que se deberá dar, también, atención a las características

de este último.

CARACTERÍSTICAS DEL CAUCE.

Para disponer de una representación precisa del cauce será necesario obtener

secciones transversales en el sitio probable de cruce, el perfil longitudinal y el

alineamiento horizontal, así como las zonas de inundación. El perfil longitudinal

se extenderá, a partir del sitio propuesto para la alcantarilla, tanto aguas arriba

como aguas abajo, una distancia suficiente para definir la pendiente del cauce.

Se observará, también, las características generales del cauce, tales como: tipo

de suelo o roca del fondo, condiciones de las márgenes, tipo y extensión de la

cobertura vegetal, cantidad de arrastre de materiales y de desechos, y cualquier

otro factor que pudiera influir en el dimensionamiento de la alcantarilla y en la

durabilidad de los materiales de construcción.

SECCION HIDRAULICA CIRCULAR TIPO TMC

Se denomina así a las tuberías formadas por planchas de acero corrugado

galvanizado, unidas con pernos. Esta tubería es un producto de gran resistencia

con costuras empernadas que confieren mayor capacidad estructural, formando

una tubería hermética, de fácil armado.

Entre sus características más resaltantes tenemos:

Sección variable entre: 24, 36, 48,60 y 72 pulgadas.

Coeficiente de Manning 0.024

Superficie corrugada



Perdidas de carga según principales tipos de embocadura de entrada.Fuente: Cariciente, 1985.

PARAMETROS DE DISEÑO



El diseño del sistema de drenaje transversal menor de una carretera se realizará

tomando en cuenta, para su solución, dos pasos básicos: el análisis hidrológico

de la zona por drenar y el diseño hidráulico de las estructuras.

El análisis hidrológico permite la predicción de los valores máximos de las

intensidades de precipitación o picos del escurrimiento, según el caso, para

períodos de retorno especificados de acuerdo a la finalidad e importancia del

sistema.

El Diseño hidráulico permite establecer las dimensiones requeridas de la

estructura para desalojar los caudales aportados por las lluvias, de conformidad

con la eficiencia que se requiera para la evacuación de las aguas.

1. ALINEACIÓN.

La localización óptima de una alcantarilla consistirá en proporcionar a la

corriente una entrada y una salida directa. Cuando no se puedan lograr estas

condiciones, se las puede obtener por medio de los procesos siguientes: un

cambio en el trazado del cauce, una alineación o una combinación de ambas. Se

deberá tener presente que es conveniente evitar que el cauce cambie

bruscamente de dirección, en cualquier de los extremos de la alcantarilla, puesto

que se retardaría el flujo de la corriente, provocando un embalse excesivo y,

posiblemente, hasta el colapso del terraplén. La alineación requiere unas

alcantarillas más largas, que se justifica por el mejoramiento en las condiciones

hidráulicas y por la seguridad de la carretera.



2. PENDIENTE.

La pendiente ideal para una alcantarilla es aquella que no produzca

sedimentación, ni velocidades excesivas y erosión, y que, a su vez, permita la

menor longitud de la estructura.

La capacidad de una alcantarilla con salida libre (no sumergida) no aumenta

cuando la pendiente sea mayor que la “pendiente crítica”, puesto que la

capacidad está determinada, en este caso, por el volumen de agua que puede

ingresar por la entrada.

Así mismo, la capacidad de una alcantarilla, con pendiente muy reducida, pero

con salida sumergida, puede variar según la carga hidráulica; en este caso, la

rugosidad interna de la alcantarilla es un factor que debe tenerse en cuenta.

Para evitar la sedimentación, la pendiente mínima será 0,5 por ciento.

Además, es conveniente que el fondo de la alcantarilla coincida con el nivel

promedio del cauce, aguas arriba y aguas abajo de la estructura; en caso

contrario, será necesario proteger la entrada y salida de la alcantarilla.

3. LONGITUD DE LA ALCANTARILLA.

La longitud necesaria de una alcantarilla dependerá del ancho de la corona de la

carretera, de la altura del terraplén, de la pendiente del talud, de la alineación y

pendiente de la alcantarilla y del tipo de protección que se utilice en la entrada y

salida de la estructura.

La alcantarilla deberá tener una longitud suficiente para que sus extremos

(entrada y salida) no queden obstruidos con sedimentos ni sean cubiertos por el

talud del terraplén.

4. VELOCIDAD DE LA CORRIENTE.

Las alcantarillas por su características, generalmente, incrementan la velocidad

del agua con respecto a la de la corriente natural, aunque lo ideal sería que la

velocidad en el cauce aguas abajo fuese la misma que tenía antes de construir

la alcantarilla. Las altas velocidades en la salida son las más peligrosas y la

erosión potencial en ese punto es un aspecto que deberá tenerse en cuenta.

Para establecer la necesidad de protección contra la erosión, la velocidad a la

entrada y/o salida deben compararse con la máxima velocidad permisible (no



erosiva) del material del cauce, inmediatamente aguas arriba y/o aguas abajo de

la estructura.

Cuando la velocidad de salida resulte muy alta o el material del cauce es

particularmente susceptible a la erosión, podrían requerirse dispositivos para

disipar la energía del escurrimiento de salida. Estos dispositivos pueden variar

desde un delantal inclinado hasta un tanque de amortiguación.

5. CARGA ADMISIBLE A LA ENTRADA.

A fin de evitar que el agua sobrepase la corona de la carretera, la altura

permisible del remanso (HEP) en la entrada de la alcantarilla se establecerá

como el valor menor que resulte de considerar los siguientes criterios: a)

disponer de un bordo libre mínimo de 1,00 m, medido desde el nivel de la

rasante y b) que no será mayor a 1,2 veces la altura del ducto.



6. ÁREA DE DRENAJE.

El área de drenaje se puede determinar en las cartas topográficas (escala

1:25.000), o en fotografías aéreas, y se considerará como la superficie en

proyección horizontal limitada por el parte-aguas. Esta área se calculará por

cualquier método y se expresará en hectáreas o en kilómetros cuadrados.

7. INTENSIDADES.

Se determinarán las intensidades de precipitación y se relacionarán con su

frecuencia y duración. Aunque la información hidrológica disponible no es

suficiente, el SENAMHI publica, periódicamente, análisis estadísticos de

intensidades que permite calcular, por medio de las ecuaciones pluviométricas,

la relación intensidad-frecuencia-duración, para cada una de las denominadas

“zonas de intensidades” en que está dividido el país.

8. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

Este coeficiente establece la relación que existe entre la cantidad total de lluvia

que se precipita y la que escurre superficialmente; su valor dependerá de varios

factores: permeabilidad del suelo, morfología.



9. CAUDAL DE DISEÑO

Existen varios métodos para evaluar los caudales de diseño que pueden ser:

Empíricos.

Que se emplean para tener una idea preliminar sobre el caudal de diseño, o bien

cuando no se conocen las características de la precipitación en la zona

correspondiente a la cuenca en estudio; los métodos más comunes son Creager

y Lowry.

Semi-empíricos.

Estos métodos son similares a los anteriores, pero hacen intervenir a la

intensidad de la lluvia en la relación funcional que define el caudal de diseño.

Estos métodos se basan en el conocimiento del ciclo hidrológico y difieren de

otros en el mayor o menor detalle con que se toman los factores que intervienen

en dicho ciclo. Los métodos más usados son el Racional y el de Ven Te Chow

.

Estadísticos.

Son de gran utilidad en sitios en que se cuenta con un buen registro de caudales

ocurridos. Se basan en suponer que los caudales máximos anuales aforados en

una cuenca, son muestra aleatoria de una población de caudales máximos.

Difieren entre ellos en la forma de la función de distribución de probabilidades

que suponen tiene la población.

Modelos Matemáticos

Existen actualmente una serie de modelos matemáticos de gran utilidad que

requieren datos extensos y completos los cuales son difíciles de obtener. No

obstante, todos las limitaciones que puedan presentarse, se recomienda su

utilización, debiendo tener cuidado de la información que se ingresa y de la

interpretación de los resultados

CRITERIOS DE DISEÑO



Según las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se

sumerge si la carga a la entrada es menor que un determinado valor crítico,

denominado H*, cuyo valor varía desde 1.2D, a 1.5D siendo d el diámetro o

altura de la alcantarilla.

ALCANTARILLA TIPO I (SALIDA SUMERGIDA)

La carga hidráulica H*, a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante Yt, a la

salida, es mayor D, en este caso la alcantarilla es llena:

Luego:

H∗¿D

Yt>D…. Alcantarilla llena .

ALCANTARILLA TIPO II (SALIDA NO SUMERGIDA).

H>H∗1.2≤ H∗≤1.5

Yt<D…….. Alcantarilla llena



ALCANTARILLA TIPO III. (SALIDA NO SUMERGIDA).

H>H∗¿

Yt<D…………Parcialmente llena .

ALCANTARILLA TIPO IV. (SALIDA NO SUMERGIDA).

H<H∗¿

Yt>Yc Flujo subcriticoen laalcantarilla .

ALCANTARILLA TIPO V. (SALIDA NO SUMERGIDA)

H<H∗¿

Yt<Yc Flujo subcriticoen laalcantarilla .



Flujo supercrítico en la salida .

ALCANTARILLAS TIPO VI. (SALIDA NO SUMERGIDA)

H<H∗¿

Yt<Yc

ALCANTARILLAS DE UN TUBO.

Para caudales iguales o menores a 1.2m3/s.

Qmáx=Di2 (m3/s)

Longitud de Transiciones. ¿≥3Di

La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva

una protección de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m.

Longitud de protección. LP≥3Di

Diámetro Interno Mínimo. Di=0.51m

ALCANTARILLA DE 2 TUBOS.

Para caudales que oscilan entre 0.5m3 /s y 2.2 m3 /s.

Qmáx=2Di2 (m3/s)

Longitud de las transiciones. Lt ≥ 5Di

Las transiciones de entrada y salida llevan protección enrocada con un

espesor de la capa de roca de 0.25m. hasta una altura sobre el fondo del

canal de 1.2D.

Longitud de protección en la entrada. Lp ≥ 4Di

Longitud de protección en la salida. Lp ≥ 5Di

Diámetro Interno Mínimo. Di = 0.51m



ALCANTARILLA DE 2 OJOS.

Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s. y 4.5 m3/s.

Sección del ojo=Ancho x Altura. D x 1.25D.

Capacidad Máxima de la Alcantarilla. Qmáx=3.1Di2 (m3/s)

Entrada y salida llevan protección de enrocado y con un espesor de la

capa de roca de 0.25m.

Longitud de las transiciones. Lt = D+b

b: Plantilla del canal.

Longitud de protección en la entrada. Lp = 3D

Longitud de protección en la salida. Lp = 5D

Diámetro Interno Mínimo. Di = 0.80m.

ALCANTARILLA DE 3 OJOS.

Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s. y 10.5 m3/s.

Sección del ojo=Ancho x Altura. D x 1.25D.

Capacidad Máxima de la Alcantarilla. Qmáx=4.8Di2 (m3/s)

Entrada y salida llevan protección de enrocado y con un espesor de la

capa de roca de 0.25m.

Longitud de las transiciones. Lt = D+b

b: Plantilla del canal.

Longitud de protección en la entrada. Lp ≥ 3D

Longitud de protección en la salida. Lp ≥ 5D

Diámetro Interno Mínimo. Di = 0.80m.

Datos de entrada:

Rugosidad n de TMC: 0.024

Velocidad de agua: 1.35m/seg

Coeficiente de escorrentía e: 0.45



Longitud de TMC: 35m

Coeficiente de pérdida de carga K de TMC: 0.7

Pendiente de TMC: 2%

Caudal: 3 m3/seg

Diámetro de tubería TMC: 48 pulg.

Calculo del radio hidráulico R

R=(V∗nS1/2

)3/2

R=( 1.35∗0.0242%1 /2 )

3 /2

R=0.11m

Calculando el nivel de energía final restante H

H=(1+K+2∗g∗n2∗L/R4 /3) V2

2 g

H=(1+0.7+2∗9.81∗0.0242∗20/0.114 /3) 1.352

2∗9.81

H=0.56m

Calculando el nivel crítico Hc

Hc=D( 0.339∗QD2.5 )

0.517



Hc=1.2( 0.339∗31.22.5

)0.517

Hc=0.96m

Calculando nivel de energía final HF

HF=(HC+D)/2

HF=(0.96+1.2)/2

HF=1.08m

Calculo de energía total HE

HE=HF+H−S∗L

HE=1.08+0.56−2%∗35

HE=0.94m

Donde se cumple la relación:

D≥1.2HE1.2≥1.2∗0.94

1.2≥1.104

GENARALIDADES

Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, rio un dren o

un camino, etc.

Se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular o

cuadrada que trabaja a tubo lleno.



II.- SIFONES

Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del

terreno y dos transiciones, una de entrada y una de salida, siendo generalmente

de sección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los

tubos.

TIPOS DE SIFONES

Los principales tipos de sifones son los que se indican a continuación:

Ramas oblicuas, se emplea para cruces de obstáculos para lo que se cuenta

con suficiente desarrollo.

Pozo vertical, con una o dos ramas verticales, son preferidos para

emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades

construidas.

Ramas verticales, similar al inciso b.



Con cámaras de limpieza, tiene su aplicación en obras de cruce de vías

subterráneas.

El sifón invertido es una obra de costo relativamente elevado y presenta

dificultades de limpieza y desobstrucción, razón por la cual debe ser utilizado

solamente después de un estudio comparativo con otras alternativas.

CALCULO HIDRAULICO

Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como

sigue:

Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de

energía especifica:

E1= y 1+z1+v12/2 g

Dónde:

Z1 :Cargade posición

Z2 :Cargade presión

v 12

2g:cargade velocidad (g=9.81m / s2)



∆ H :Cargahidraulica

∆ H=E1−E2=(Y 1+Z 1+V 122 g )−(Y 2+Z2+V 222g )

CRITERIOS DE DISEÑO

Las dimensiones del tubo se determina satisfaciendo los requerimientos de

cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados, y sugerencia de la entrada

y salida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales por debajo de drenes , se

requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos

parcelarios o canales de riego sin revestir es suficiente 0.60m. si el sifón cruza

un canal revestido, se considera suficiente 0.30m de cobertura.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente

mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de

concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en

sifones con Ф mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1

m/s.

4. Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la

ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar

en un 50% o 0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud

mínima de 15 m a partir de la estructura.

Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente

cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede

usar una velocidad de 1 m3/s, en sifones con transiciones de concreto

igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos

con transiciones de concreto cono sin control en la entrada.



Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta

Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv

respectivamente (Ver. Fig. 2.15) o con lo manifestando en los ítems 2.4 y 2.5.

A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se

incrementan en 10%.

En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de

la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua,

esta profundidad de sugerencia es conocida como sello de agua y en el diseño

se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también

3”.

En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea

que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción

menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n =

0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía.

Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de

que estas sean iguales o menores a 0.30 m.

Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el

desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer

colapsar la tubería (solo para grandes caudales).

BIBLIOGRAFÍA

Nociones de caminos II, Ing. Wesley Salazar Bravo

http://es.scribd.com/doc/62329640/ALCANTARILLAS






Guía de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito, MTC.



Alcantarilla y Sifones

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