Drenaje de carretera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

DRENAJE DE CARRETERA

I. INTRODUCCION- En el presente trabajo desarrollaremos los cálculos y el diseño de

alcantarillas del kilómetro 4 al kilómetro 5 de una carretera,

considerando los parámetros necesarios para realizar dicho diseño

como es el caudal, precipitaciones, escorrentía, tiempo de retorno

entre otro.

- Se diseñarán todas las alcantarillas que se requiera el kilómetro

teniendo en cuenta la pendiente del terreno y el tipo de suelo.

II. OBJETIVOS- Objetivo específico:

o Hallar los parámetros y diseñar las alcantarillas del 4km- 5km.

- Objetivos generales.

o Determinar el número de alcantarillas que se necesitan el kilómetro.

o Halar el caudal para el diseño de la alcantarilla.

III. MARCO TEORICOCLASIFICACIÓN DEL DRENAJE DE CARRETERA.

- DRENAJE SUPERFICIAL.

El drenaje superficial se clasifica, según la posición que guarden las obras respecto al

eje de la carretera, en paralelo o transversal.

Drenaje longitudinal: tiene por finalidad captar los escurrimientos para evitar que

alcancen la sub-rasante y consiguientemente el deterioro de la carretera o permanezca

en ella sin causar desperfectos, en este tipo de drenaje se considera a las cunetas y los

colectores. La denominación de longitudinal se debe a q estas se ubican

aproximadamente en forma paralela al eje del camino.

1INGENIERIA DE DRENAJE


Drenaje transversal: tiene por objeto dar paso expedito al agua que cruza de un lado a

otro de la carretera, o bien retirar lo más pronto posible el agua de su corona, queden

en este tipo de drenaje los tubos, losas, cajones, bóvedas, vados, sifones, etc.

De acuerdo a la dimensión del claro de las obras de drenaje transversal se a convenido

dividir a este en mayor o menos.

CARACTERÍSTICAS DEL DRENAJE SUPERFICIAL.

DRENAJE LONGUITUDINAL.

a) Cunetas.

Son cales que se hacen en todos los tamos en ladera y corte serrados de un camino

y sirven para interceptar el agua superficial que proviene del mismo, de los taludes

cuando existe corte y del terreno natural adyacentes, en ciertos lugares sirven para

almacenar la nieve que cae, o que se acumula al limpiar la via. Su función principal

es conducir el agua superficial a una corriente natural o a una obra transversal,

alejándolo lo mas pronto posible de la zona ocupada por la carretera.

Según la N.P.D.C. las cunetas por lo general tendrán sección triangular y sus

dimensiones serán fijadas de acuerdo a las condiciones pluviograficas.

REGION PROFUNDIDAD (m) ANCHO(m)

seca 0.2 0.5

lluviosa 0.3 0.5

Muy lluviosa 0.5 1.00

FUENTE: norma peruana para el diseño de carreteras.

Los principales cruces de agua en una via terrestre la constituyen los puentes, las

alcantarillas y aliviaderos de cuneta, la frontera entre ambos tipos de estructura no

esta naturalmente definida. Convenientemente se acepta.

NOMENCLATURA ANCHO DE CAUSE

alcantarilla 1m ˂L˂ = 4m

pontón 4m ˂L˂ = 10m

puente L˃ 10m



Fig: # 1: se muestra a una cuneta trapezoidal.

b) Cunetas o zanjas de coronación

Las cunetas o zanjas de coronación son canales que se construyen en la parte

naturales y conducirlas hacia la quebrada o descarga más próxima del sistema

general de drenaje, evitando de este modo la erosión del terreno, especialmente

en zonas de pendiente pronunciada.

c) Contracunetas

Se denominan contracunetas, a los canales excavados en el terreno natural o

formados con pequeños bordos, que se localizan aguas arriba de los taludes de los

cortes, con la finalidad de interceptar el agua superficial que escurre ladera abajo

desde mayores alturas, para evitar la erosión del talud y el congestionamiento de

las cunetas y la corona de la vía terrestre por el agua y su material de arrastre.

Fig:#2: Ubicación de la contra cuneta

Fig:#3: Dimensiones de la contracuneta.



d) Bombeo

Se denomina Bombeo a la pendiente transversal que se da en las carreteras para

permitir que el agua que directamente cae sobre ellas escurra hacia sus dos

hombros.

Fig:#4: se muestra el bombeo de una carretera.

e) Vado

Este tipo de solución como obra de drenaje es poco común, es una obra de paso

para el agua, dejando que ésta continúe su curso de manera natural sin afectar su

nivel de escurrimiento, es decir, la carretera pasará a nivel del agua respetando su

condición actual.

Fig: #5: Proyección del vano en el camino.



DRENAJE TRANSVERSAL

Las obras de drenaje, en algunas veces será necesario hacer grandes obras de drenaje y en

otros casos será necesario hacer pequeñas obras de drenaje.

a) Alcantarillas:

Son conductos dispuestos para que pase el agua de escorrentía superficial por debajo de las

vías, caminos o terraplenes. Son de pequeña luz, menor a 3 metros. Y que generalmente

constituidos por tubos galvanizados o de concreto, también pueden ser de cajones de concreto

reforzado con secciones cuadradas, rectangular, trapezoidales o en arco.

- Propósito: la mayoría de las alcantarillas se colocan en causes de pequeñas

quebradas o cursos de agua que cruzan el camino, las cunetas de la carretera se

encargan de recoger el agua de lluvia que cae directamente sobre ella

transportándola hacia la alcantarilla más cercana.

- Condiciones o lugares para colocar una cuneta

Como regla generan la alcantarilla debe seguir la alineación y el gradiente del dren natural,

para minimizar las pérdidas de energía y la erosión. Sin embargo, resulta más económico

colocar una alcantarilla perpendicular a la carretera o camino con ciertos cambios aceptables

en el alineamiento del dren.

- Se aplican al diseño vial, es decir cuando el flujo es interceptado por un camino o

una vía de ferrocarril.

- Se aplica al diseño de desagüe es decir para evacuar mediante un conducto todas

las aguas residuales y servidas.

Parámetros a determinar en el diseño

Para diseñar una alcantarilla se debe determinar:

- Tipo de sección

- Material

- Embocadura de alcantarilla

Con la pendiente y la longitud se espera que sea capaz de evacuar el caudal de diseño

probando un nivel de agua de agua en la entrada que no ponga un peligro de falla estructural.



CONOCIMIENTOS PREVIOS PARA EL DISEÑO

A la hora de proyectar el drenaje de una carretera deben tener presentes una serie de factores

que influyen directamente en el tipo de sistema más adecuado, así como un posterior

funcionamiento. Los destacables son:

a) Factor topográfico: dentro de este grupo se engloban circunstancias de tipo físico,

tales como la ubicación dela carretera respecto al terreno lateral contiguo en

desmontes, terraplén o media luna, la tipología del relieve existente llano, ondulado,

accidentado.

b) Factor hidrológico: hacen referencia al área de la cuneta de recepción y aporte de

aguas superficiales que afectan directamente a la carretera, así como la presencia,

nivel y caudal de aguas subterráneas que pueden infiltrarse en las capas inferiores del

firme.

c) Factor geotécnico: la naturaleza y características de los suelos existentes en la zona

condicionada la facilidad con que el agua puede llegar a la vía desde su punto de

origen, así como la posibilidad de que ocasione corrimientos o una erosión excesiva

del terreno.

Una vez sopesados estos factores se procede al diseño de la red de drenaje, que debe cumplir

los siguientes objetivos:

- Evacuar de manera eficaz y lo más rápido posible el agua caída sobre la superficie

de rodadura y los taludes de la explanación contiguos a ella.

- Prestar especial atención a los cauces naturales.

- No suponer un peligro añadido para la seguridad del conductor, empleando para

ellos túneles más suaves.

- El coste inicial de construcción e implementación del sistema de drenaje.

- Los costes de reparación y mantenimiento de la infraestructura de drenaje a lo

largo de la vida útil de la carretera.

TIPOS DE ESCURRIMIENTO EN ALCANTARILLAS



el camino constituye una barrera artificial para el agua que escurre a superficie libre sobre la

ladera de la montaña y para todos los cursos de agua (de mayor o menor tamaño) que drenan

por los múltiples cauces que bajan por la ladera. Cuando esos flujos encuentran el camino,

comienzan a escurrir paralelos al mismo y en la dirección de la pendiente longitudinal del

camino. Por esta razón 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 irán variando las características hidráulicas del flujo; pudiendo variar

desde un flujo a superficie libre con un tirante pequeño, hasta un conducto a presión, cuando

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

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

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

soluciones mas o menos complejas. En conclusión, el análisis hidráulico teórico del

escurrimiento en el interior de una alcantarilla es muy complejo.

Por esta razón se han hecho numerosos ensayos de laboratorio de la mayoría de los casos

prácticos de diseño de alcantarillas. Estos ensayos, posteriormente han sido convalidados con

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

esta experimentación, se han puesto de manifiesto dos formas fundamentales típicas de

escurrimiento en alcantarillas, que incluyen todas las demás:

1) Escurrimiento con control de entrada

2) Escurrimiento con control de salida

Entendiendo por sección de control, aquella sección donde existe una relación definida entre

el caudal y el tirante. Es la sección en la cual se asume que se desarrolla un tirante próximo al

crítico.

TIPO DE FLUJO DE ALCANTARILLAS

Flujo con control de entrada

En el flujo con control de entrada el tirante crítico se forma en las proximidades de la sección

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



subcrítico, y aguas abajo, un flujo supercrítico. De modo que lo que ocurre desde la sección

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 sección. Por eso, las variables que

intervienen en este tipo de flujo son:

· Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m.

· Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30º con respecto al eje.

· Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He.

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

típicos son aquellos en los cuales:

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

sección en parte del conducto.

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

subcrítica o supercrítica la pendiente.

Fig:#6: se muestra el tipo de flujo.

Cálculos para flujo con control de entrada

El procedimiento de cálculo es muy sencillo para este tipo de flujo, y puede plantearse en los

siguientes pasos:

1) Se adopta un caudal de diseño.

2) Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones).

3) Se elige un tipo de entrada.

4) Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada (He) necesario para permitir el paso del

caudal de diseño. Si ese nivel verifica las condiciones de nuestro proyecto, es decir, no supera 8

INGENIERIA DE DRENAJE


la altura máxima admisible para el agua a la entrada de la alcantarilla de acuerdo a los

condicionantes de diseño planteados en el problema en cuestión, se continúa en el paso 5, de

lo contrario, se vuelve al paso 2.

5) Se observa que el nivel He no sea demasiado pequeño, es decir, que la alcantarilla no se

haya sobredimensionado, pues esto ocasionaría costos excesivos e innecesarios.

6) Se adopta la alcantarilla propuesta como una de las posibles soluciones del problema.

Para este tipo de flujo tenemos nomogramas que interrelacionan las variables involucradas. En

la figura 3 se presenta uno de estos nomogramas. En particular se presenta el nomograma que

construido para secciones transversales de alcantarilla tipo bóveda, donde la altura y en ancho

máximo de la bóveda definen la geometría de la sección.



Fig:#7: se muestra el Abaco para el diseño

El procedimiento de cálculo es el siguiente:

1- Se busca en la primer recta vertical del nomograma, las dimensiones de la

alcantarilla que deseo verificar. Por ej: 0,91m x 0,56m, para una secc. abovedada.

2- Se elige el caudal de diseño en la segunda recta. Por ej: 0,60 m3 /s.

3- Se traza una recta que una ambos puntos, y se prolonga hasta que intersecta la

primera de el trío de rectas que están a la derecha del nomograma. Luego se traza

una horizontal, y se elige el valor de He / D que corresponde al tipo de entrada

adoptado. Por ej: para el tipo de entrada (3), es decir con el conducto

sobresaliente del talud, sin cabezal, se adopta un He / D = 1,3. Es decir que He =

1,3 x D = 0,73m.

Está claro que el valor obtenido no es demasiado grande pues no llega ni siquiera a la

altura de 0,91m de la alcantarilla, pero podría ser demasiado pequeño, con lo cual se

aconsejaría redimensionar la alcantarilla, reduciendo sus dimensiones de sección o

tomando otro tipo de sección con nuevas dimensiones.

Flujo con control de entrada En el flujo con control de salida el tirante crítico se forma

en las proximidades de la sección de salida de la alcantarilla, quedando hacia aguas

arriba de dicha sección un remanso en flujo subcrítico, y aguas abajo, un flujo

supercrítico. De modo que todo lo que ocurre desde la sección de salida hacia aguas

arriba tiene influencia en el nivel a la entrada de la alcantarilla. Por eso, las variables

que intervienen en este tipo de flujo son las mismas que intervienen en el control de

entrada mas las que corresponden al tramo entre esta sección y la de salida:

· Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m.

· Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30º con respecto al eje. · Nivel de agua a

la entrada. Se utiliza la altura He.

· Nivel de agua a la salida.

· Pendiente del conducto.

· Rugosidad del conducto.

· Largo del conducto.



Al igual que en control de entrada, tampoco aquí es sencillo predefinir cuando un flujo tendrá

control de salida, los casos mas típicos son aquellos en los cuales:

1) La altura del agua no sumerge la entrada y la pendiente del conducto es subcrítica

2) La alcantarilla fluyendo a plena capacidad

Fig:#8: altura del agua no sumergida.

Fig:#9: La alcantarilla fluyendo a plena capacidad

En el caso de flujo con control de salida comienzan a intervenir en el cálculo las características

del flujo en la alcantarilla y a la salida de la misma. Desde el punto de vista del cálculo conviene

identificar distintos tipos de escurrimiento en alcantarillas con control de salida. La figura XX6

presenta cuatro tipos de flujo con control de salida:

A) Caso de sección llena con nivel aguas abajo por encima del dintel de la sección de salida.

B) Caso de sección llena con nivel aguas abajo por debajo del dintel de la sección de salida.

C) Caso de sección parcialmente llena en un tramo del conducto. 11



D) Caso de sección parcialmente llena en todo el conducto.

Fig:#10: se muestra el sentido del flujo.

RENAJE SUBTERRÁNEO

El drenaje subterráneo tiene como principal misión controlar y limitar la humedad de la explanada,

así como de las diversas capas que integran el firme de una carretera.

Para ello deberá cumplir las siguientes funciones:

. Interceptar y desviar corrientes subterráneas antes de que lleguen al lecho de la carretera.

. En caso de que el nivel freático sea alto, debe mantenerlo a una distancia considerable del firme.

. Sanear las capas de firme, evacuando el agua que pudiera infiltrarse en ellas.



IV. DISEÑO DE ALCANTARILLAS

En el tramo de la carretera en estudio del 4km al 5km, es decir en la progesiva 4+680

Por la cual pasa una quebrada para la cual se va diseñar una alcantarilla para q así pueda la

quebrada continúe con su curso natural y no malogre la carretera.

progresiva Tipo de alcantarilla

Km 4+680 rectangular

Para poder hallar el caudal en el punto de intersección con la carretera se debe realizar un

análisis de la microcuenca, obteniendo así el área de contribución, pendiente tiempo de

concentración, periodo de retorno la intensidad, con estos datos se puede hablar el caudal por

el método racional para luego realizar el diseño de la alcantarilla.

Caudal de diseño

Pasos a seguir:

- Hallar el coeficiente de escorrentía

- Intensidad

- Área

Por el método racional sabemos que:

Q=C∗I∗A360

DONDE:

- C= coeficiente de escorrentía apara bosques. (tabal #4)

- Intensidad de precipitación. (figura#5)

- Área de la microcuenca.

Ubicación de C I (mm/h) AREA(ha) Caudal de la



la alcantarilla cuenca

Km 4+680 0.65 56 1.65 0.1854m3/s

Diseño de la alcantarilla ubica en el km 4+680

- El caudal de diseño para la alcantarilla será:

Q diseño= 0.1854m3/s

- Consideramos una pendiente de 6% y un W= 1.00 y un D =1.00

DATOS PARA EL DISEÑO:

Q diseño (M3/S) 0.1854

W(m) 1.00

D(m) 1.00

g(m/s2) 9.8

pendiente 0.06

n 0.014

- Hallamos el tirante critico:

d c=3√ q2gDonde:

q= descarga por unidad de ancho

q= Q1.00

=0.165m 3/s1.00

=0.165



dc= 3√ 0.16529.8=¿0.1518 ¿

- Según Maning se tiene que:

Q= An∗R

23∗S1/2

- Hallamos el área:

A= dc*w

A=0.1518*1.00= 0.1518m2

- Hallamos el p:

P= 2*dc+w

P= 2*0.1518+1

P= 1.2944m

- Hallamos el radio hidráulico:

R= AP

R=0.14721.281

R= 0.1137 m

- Por lo tanto, se tiene:

Sc=( Q∗nA∗R2/3 )

2

Sc=( 0.165∗0.060.1405∗0.11372/3 )

2

Sc= 0.05702

Sc= 0.05702 ˂0.06………………… ok

Por lo tanto, la pendiente es supercrítica por lo que se debe utilizar el Abaco #7 15



datos metros Pies

Q (m3/s) 0.165 16.96

D (m) 1.00 3.28

W (m) 1.00 3.28

- Hallamos la relación Q/W

Q/w= 16.96/3.28=5.17

- EL ABANCO SE OBTIEN LA RELACION:

H/D= 0.21

H=0.21*D

H=0.21*3.28

H=0.69 pulgadas=0.21m

- Comprobación del caudal:

Q=W*√G( H1.5 )3 /2

Q=1.00*√9.81( 0.441.5 )3/2

Q=0.1640 m3/s≈ 0.165 m3/s--------------ok

Se obtiene el mismo resultado por lo tanto el diseño es correcto.



V. Conclusiones.- Se logró diseñar la alcantarilla del km4-km5.

- Se calculó el caudal para poder diseñar a la alcantarilla.

- Se logró poner en práctica los conocimientos adquiridos en clase y poder diseñar

una alcantarilla.

VI. Bibliografía:- Cátedra de Transporte II. (1992). “Diseño geométrico de caminos, Cap III: Drenaje”.

F.C.E.F. y N. – U.N.C.

- Office of Technology Applications (1999). “Hydrain Integrated Drainage Design

Computer System. Volume V. HY8 – Culverts”. Federal Highway Administration.

Washington, DC.


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