DISEO HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS

Introduccin

El presente trabajo tiene por objetivo presentar los principios hidrulicos fundamentales

involucrados en el diseo de alcantarillas, y desarrollar una metodologa de diseo adecuada a

las necesidades del proyectista. Adicionalmente se exponen aplicaciones del modelo HY8, que

es uno de los modelos de resolucin de alcantarillas ms utilizados a nivel mundial.

Factores que condicionan el diseo hidrulico

Una alcantarilla es una estructura que tiene por objetivo principal sortear un obstculo al paso

del agua. En la mayora de los casos se aplican al diseo vial, es decir, cuando el flujo es

interceptado por un camino o una va de ferrocarril.

Cuando se realiza el diseo geomtrico de un camino, el mismo, normalmente se interpone en

el movimiento natural de escurrimiento de las aguas de la zona de emplazamiento. En la ladera

de una montaa, se interpone en el camino de escurrimiento de las aguas que bajan por la

montaa. Cuando atraviesan un arroyo, un ro, o cualquier otro canal, y an en los paisajes mas

llanos la topografa del terreno obliga al movimiento del agua en alguna direccin. El camino, en

la mayora de los casos constituye un verdadero obstculo al paso del agua.

En el presente trabajo se asume que se dispone del caudal de diseo de la alcantarilla. El mismo

debi haber sido calculado, o al menos estimado, con anterioridad. Normalmente se adopta

para la alcantarilla el caudal producido por una tormenta con un tiempo de retorno de 25 a 50

aos, dependiendo bsicamente del grado de daos que podra ocasionar una falla funcional de

la alcantarilla. Tambin se asume en este trabajo que se conocen las caractersticas geomtricas

del obstculo que atraviesa la alcantarilla. Por ejemplo, se conoce la altura del terrapln del

camino que se va a atravesar. Adems, deben ser tenidos en cuenta otros factores, como por

ejemplo el paquete estructural del camino, que incluye capas de distintos materiales y

densidades. En general, conviene evitar el contacto del agua con el paquete estructural. Por esta

razn se exige que el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla no supere un cierto lmite

asociado a la conservacin fsica del camino. Por otro lado, es importante considerar la

resistencia de la alcantarilla para que pueda soportar el peso de la tapada de tierra que la

confina. Esto podra condicionar el material empleado en la alcantarilla. Con esto quiere ponerse

de manifiesto que existen varios factores que se condicionan el dimensionamiento hidrulico de

las alcantarillas, factores que se analizan a cada caso en particular, y que estn fuertemente

ligados a la experiencia del proyectista.

Es evidente que en toda obra de ingeniera se procura maximizar la relacin beneficio- costo,

por lo que el factor econmico desempea un rol principal en la seleccin de la alcantarilla ms

adecuada al problema planteado.

Por ltimo, cabe mencionar que los casos atendidos en este trabajo corresponden a las

situaciones que se presentan ms comnmente en el diseo, en lo que respecta al material y

forma de las alcantarillas. Cualquier modificacin sobre la misma deber ser contemplada con

el criterio adecuado, o bien, consultado en bibliografa ms especfica. En este sentido se asume

que todas las alcantarillas tienen seccin transversal uniforme, con forma circular, ovalada o

bveda, tanto de hormign como metlicas; y de seccin rectangular, slo de hormign. La

entrada puede consistir en el conducto de la alcantarilla prolongado fuera del terrapln

(embocadura saliente), o cortado en bisel, segn la pendiente de los taludes. Algunas

alcantarillas tienen muros de cabecera, de ala y plateas de entrada, o entradas standard

metlicas, o de hormign.

En sntesis, el diseo de alcantarillas consiste en determinar el tipo de seccin, material y

embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capaz de evacuar

el caudal de diseo, provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en peligro de falla

estructural, ni funcional la estructura que se desea atravesar optimizando los recursos

disponibles. Es decir, buscar la solucin tcnico-econmica mas conveniente.

Como se ver mas adelante, el procedimiento para el diseo de alcantarillas no sigue un camino

nico y exacto, sino que, por el contrario, es iterativo. La solucin ptima no existe, sino que

existen un conjunto de alternativas que resuelven el problema planteado. Adems de los

factores mencionados, puede variarse la ubicacin y posicin de la alcantarilla, lo cual modifica

longitudes y pendiente, etc. El criterio y buen juicio del Ingeniero darn la ltima palabra.

Conceptos Hidrulicos

Antes de comenzar a presentar una interpretacin hidrulica de las alcantarillas es necesario

aclarar que este trabajo tiene por objeto constituirse en un material prctico de diseo, y no

una teora que sustente el funcionamiento hidrulico de las alcantarillas.

El procedimiento propuesto, que toma como referencia principal los Grficos hidrulicos para

el diseo de alcantarillas, asume algunas hiptesis. Adems, estos grficos fueron obtenidos a

partir de un conjunto de ensayos en laboratorio, y posteriormente convalidados con

experimentacin en el terreno. Todo esto le incorpora un componente emprico que, cuanto

mucho, puede ser interpretado fsicamente.

Estos grficos fueron originalmente preparados por la Seccin Hidrulica Divisin Puentes de la

Oficina de Ingeniera y Operaciones del Bureau of Public Roads de Washington EEUU (1964) y

posteriormente traducidos y adaptados a las unidades mtricas por el Ing. Rhle (1966).

Si observamos una alcantarilla, no es mas que un conducto cuya seccin puede ser circular,

ovalada, rectangular, etc. Imaginemos que este conducto atraviesa un camino que se encuentra

en la ladera de una montaa. Evidentemente, el camino constituye una barrera artificial para el

agua que escurre a superficie libre sobre la ladera de la montaa y para todos los cursos de agua

(de mayor o menor tamao) que drenan por los mltiples cauces que bajan por la ladera. Cuando

esos flujos encuentran el camino, comienzan a escurrir paralelos al mismo y en la direccin de

la pendiente longitudinal del camino. Por esta razn se construyen a los bordes del camino

canales o canaletas que conducen el agua paralelo al mismo. Estos canales van recolectando

agua en su recorrido hasta llegar a una alcantarilla que la recibe y la cruza transversalmente al

otro lado del camino.

De acuerdo a las dimensiones, material de la alcantarilla, caudal, condiciones de entrada y de

salida de la misma, etc irn variando las caractersticas hidrulicas del flujo; pudiendo variar

desde un flujo a superficie libre con un tirante pequeo, hasta un conducto a presin, cuando

fluye totalmente llena. En el primer caso, podra dimensionarse la alcantarilla empleando la

teora de flujo en canales abiertos, mientras que en el segundo, con las ecuaciones de la teora

de conductos. Entre ambas condiciones extremas se plantean un gran nmero de casos con

soluciones mas o menos complejas. En conclusin, el anlisis hidrulico terico del

escurrimiento en el interior de una alcantarilla es muy complejo.

Por esta razn se han hecho numerosos ensayos de laboratorio de la mayora de los casos

prcticos de diseo de alcantarillas. Estos ensayos, posteriormente han sido convalidados con

observaciones en el terreno y se han obtenido resultados altamente satisfactorios.

A partir de esta experimentacin, se han puesto de manifiesto dos formas fundamentales tpicas

de escurrimiento en alcantarillas, que incluyen todas las dems:

1) Escurrimiento con control de entrada

2) Escurrimiento con control de salida

Entendiendo por seccin de control, aquella seccin donde existe una relacin definida entre el

caudal y el tirante. Es la seccin en la cual se asume que se desarrolla un tirante prximo al

crtico.

En el escurrimiento con control de entrada, el caudal que puede pasar por la alcantarilla,

depende fundamentalmente de las condiciones de entrada a la misma. Es decir, depende de la

seccin transversal del conducto, de la geometra de la embocadura y de la profundidad del agua

a la entrada o altura del remanso. En este tipo de escurrimiento no influyen las caractersticas

del conducto mismo. En cambio, en el escurrimiento con control de salida debe agregarse a las

anteriores el nivel del agua a la salida, la pendiente, longitud y rugosidad del conducto.

En este trabajo se presentan los grficos y se explican los clculos necesarios para disear

alcantarillas que trabajan con control de entrada y aquellas que trabajan con control de salida.

No es sencillo determinar de antemano si una alcantarilla va a trabajar con control

de entrada o de salida. Para responder a esa pregunta habra que realizar clculos largos y

complejos, lo cual quitara practicidad al mtodo.

Por esa razn, la Direccin Nacional de Vialidad (DNV) permite que se calcule, para el caudal de

diseo de la alcantarilla, el nivel a la entrada de la misma como si sta trabajara con control de

entrada, luego se deber calcular como si trabajara con control de salida, y finalmente, se elige

el mayor nivel entre ambos.

Flujo con control de entrada

En el flujo con control de entrada el tirante crtico se forma en las proximidades de la seccin de

entrada a la alcantarilla, quedando hacia aguas arriba de dicha seccin un remanso en flujo

subcrtico, y aguas abajo, un flujo supercrtico. De modo que lo que ocurre desde la seccin hacia

aguas arriba, tiene influencia en el nivel a la entrada de la alcantarilla, pero no tiene ninguna

influencia lo que ocurre aguas abajo de dicha seccin. Por eso, las variables que intervienen en

este tipo de flujo son:

Tipo y dimensiones de la seccin transversal. Ej: circular con dim=2m. Geometra de la

embocadura. Ej: Con alas a 30 con respecto al eje. Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura

He.

Si bien no es sencillo predefinir cuando un flujo tendr control de entrada, los casos mas tpicos

son aquellos en los cuales:

1) La entrada est descubierta y la pendiente es supercrtica (Fig.1), pudiendo o no fluir llena la

seccin en parte del conducto.

2) La entrada est sumergida, y sin embargo no fluye lleno el conducto (Fig.2), pudendo ser

subcrtica o supercrtica la pendiente.

Fig.1: Flujo con control de entrada. Caso tpico

Fuete: Carciente,