CAPTULO 1 ASPECTOS GENERALESColombia es el cuarto pas considerado ms hmedo con una riqueza hdrica. Colombia tiene un promedio de precipitacin superior a 2000 mm/ano. Debido a esto las carreteras se encuentran sometidas a la accin de la lluvia.Objetivo Este manual es un gua para el anlisis hidrolgico de las cuencas y reas aferentes al corredor vial y en el diseo hidrulico de las estructuras componentes del sistema de drenaje superficial y sub-superficial.

ORGANIZACIN DEL MANUAL

CAPTULO 1 ASPECTOS GENERALES se define el objeto y el contenido del manual , el alcance, la responsabilidad CAPTULO 2 HIDROLOGIA DE DRENAJE SUPERFICIAL VIAL. CAPTULO 3 DRENAJE DE LA CORONA. CAPTULO 4 DRENAJE SUPERFICIAL CAPTULO 5 DRENAJE SUBSUPERFICIAL. CAPTULO 6 SOCAVACION. GLOSARIO.

1.4. FASES DE LOS ESTUDIOS VIALESEn Colombia se realizan los estudios viales en 3 fases o etapas establecidas por el ministerio de obras pblicas y transporte para evaluar la viabilidad econmica del proyecto Fase 1. Pre factibilidad

El objetivo de esta fase establecer si el proyecto ofrece posibilidades de ser viable econmicamente.Se identifican uno o varios corredores de rutas posibles, se realiza un pre diseo, acudiendo a costos obtenidos en proyectos con condiciones similares, se adelanta una evolucin econmica preliminar generalmente utilizando el modelo de simulacin.

Fase 2. Factibilidad El objetivo de la fase 2 es la a decisin final de continuar o no con el proyecto, dependiendo de su rentabilidad

En el corredor seleccionado se debe disear en forma definitiva el eje en planta de la carretera. Debe cumplir con las especificaciones geomtricas. Con los pre diseos del eje en perfil, de las secciones transversales, de las obras de drenaje superficial , etcSe procede a la evolucin econmica final usualmente con la simulacin del modelo, con un mayor grado de precisin. Se realiza el presupuesto para cuantificar los costos de la operacin vehicular.

Fase 3. Diseos definitivosSe elaboran los diseos detallados, tanto geomtricos como de todas las estructuras y obras complementarias que se requieran, de tal forma que un constructor pueda materializar la carretera.

ALCANCE DE LOS ESTUDIOS DE HIDROLOGA, HIDRULICA Y SOCAVACIN EN FUNCIN DE LA FASE DE ESTUDIO

1.5.1. Actividades de la Fase 1. Pre factibilidadEl Consultor debe recoger toda la informacin disponible y efectuar un anlisis somero de ella.Debe tener en cuenta las siguientes actividades: Obtencin de la cartografa IGAC existente, identificacin de las cuencas de las corrientes de tipo perenne que sean atravesadas por cada corredor vial en estudio. Identificacin y recopilacin de la informacin de las estaciones climatolgicas e hidromtricas Adquisicin de las fotografas areas de los sitios de cruces Con base en la informacin recopilada de los posibles corredores de ruta, se deben analizar de manera general, al menos, los siguientes aspectos: patrones de drenaje, cantidad de cauces mayores y ponteaderos. Se adelantar un reconocimiento areo o terrestre

El Informe Final de Fase 1. Pre-factibilidad deber presentar los siguientes aspectos 1. Caracterizacin hidroclimatolgica general de la zona en relacin con las caractersticas de drenaje de la va.2. Inventario de las corrientes de tipo perenne que crucen los corredores.3. Plano general 4. Conclusiones y recomendaciones.

Actividades de la Fase 2. FactibilidadEl Consultor debe complementar la informacin adquirida durante la primera fase y deber adelantar las siguientes actividades adicionales para el corredor elegido. Con base en la informacin recopilada para la alternativa seleccionada, se deben analizar, a nivel de detalle, los siguientes aspectos: el patrn de drenaje, el nmero de cauces y ponteaderos. Se definirn las caractersticas Se deber registrar y evaluar cualquier trabajo que se est realizando en el lugar o que se tenga previsto. En particular, se debe recoger informacin sobre: alineamiento y seccin transversal de la carretera, coeficientes de rugosidad de la corriente, planos de inundacin, estructuras que generen obstrucciones, reas de almacenamiento potencial de agua, etc. Se deber allegar la informacin de utilidad para los anlisis de estabilidad de canales y de socavacin Se adelantar el levantamiento topogrfico y batimtrico de los cauces cruzados por ponteaderos.

Los aspectos hidrulicos a estudiar paralelamente con el proceso de diseo geomtrico son:1) Estudios de hidrologa, hidrulica y socavacin de cauces2) Ubicacin y prediseo de las alcantarillas3) Cota mnima de rasante en cada sitio de ponteadero

el Informe Final de Fase 2. Factibilidad, debe presentar, como mnimo, los siguientes aspectos. Caracterizacin hidroclimatolgica de detalle de la zona en relacin con el drenaje de la va. Inventario de las corrientes identificables en restituciones aerofotogramtricas Plano general a escala Estudio hidrolgico, Para ello se deben elaborar los siguientes prediseos:

Actividades de la Fase 3. Diseos definitivosEl Consultor deber considerar, las siguientes actividades para el diseo definitivo Glibo mnimo en los emplazamientos de las obras de cruce de cauces como puentes y pontones. Diseo y espaciamiento mximo entre alcantarillas. Diseo de alcantarillas, cunetas, zanjas de coronacin, aliviaderos, bordillos, disipadores de energa, subdrenes y dems elementos de drenaje superficial y subterrneo que se requieran. Diseo de pontones, puentes y muros de contencin

El Informe de hidrologa, hidrulica y socavacin que forma parte del Informefinal de la Fase 3. Diseo definitivos debe incluir los siguientes aspectos:1. Estudios hidrolgicos. El documento deber presentar: Objeto y localizacin del proyecto. Alcance del estudio. Recopilacin y anlisis de la informacin existente. Metodologa. Cartografa. Anlisis de lluvias y climatolgico. Anlisis de caudales Justificacin de las frmulas empleadas. Aplicacin de las teoras y mtodos de prediccin.2. Estudios Hidrulicos: Su finalidad es el diseo de estructuras de capacidad apropiada utilizando los caudales generados en el estudio hidrolgico. el informe deber incluir la siguiente informacin: Geomorfologa Dinmica Fluvial Obras menores. Drenaje subsuperficial Hidrulica de obras mayores.3. Estudios de socavacin. tienen por objeto determinar las profundidades crticas de tipo erosivo inducidas por las corrientes alrededor de pilas, estribos, etc. Anlisis de la informacin de campo. Aplicacin de las teoras de socavacin.4. El informe final deber incluir un resumen de todos los resultados encontrados a travs del estudio, principalmente aquellos que requieran ser utilizados en otras disciplinas o que generen conclusiones inmediatas5. Conclusiones y Recomendaciones.6. Bibliografa.

USO DE PROGRAMAS DE CMPUTOExisten numerosos paquetes de software que proporcionan anlisis hidrolgicos e hidrulicos rpidos y precisos de los diferentes componentes de un sistema de drenaje vial

CAPTULO 2

HIDROLOGA DE DRENAJE SUPERFICIAL VIAL

HOYA HIDROGRFICA Y CARACTERSTICAS FSICAS

Se define como un rea limitada topogrficamente, drenada por un curso de agua o un sistema de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente es descargado a travs de una salida simple, localizada en el punto ms bajo de la misma. El lmite topogrfico es la divisoria de aguas,

CARACTERISTICAS

rea de drenaje Es el rea plana incluida entre su divisoria topogrfica.

Forma de la hoya se relaciona con la capacidad de concentracin del caudal pico de una creciente.

Sistema de drenaje indica la cantidad de los cursos de agua en la hoya y se identifica con la densidad de drenaje, definida esta ltima como la longitud total de los cursos de agua dentro de la hoya entre el rea de drenaje de la misma.

Pendiente de la hoya Determina, de manera indirecta, la capacidad de concentracin del agua y la produccin de caudales pico de escorrenta superficial altos en la hoya.

Pendiente del cauce principal determina la rapidez de produccin del caudal pico de escorrenta superficial y la capacidad de concentracin de la referida descarga.

Tiempo de concentracin el tiempo que toma el agua desde los lmites ms extremos de la hoya hasta llegar a la salida de la misma.

ECUACIONES EMPERICAS PARA CALCULAR EL TIEMPO DE CONCENTRACION

Anexo hoja de Excel ecuaciones definidas

1) Ecuacin de Kirpich

Donde:Tc:Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente entre las elevaciones mxima y mnima (pendiente total) del cauce principal, en metros por metro (m/m).

2) Ecuacin de Tmez

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%).

3) Ecuacin de Williams

Donde:

Tc:Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).A: rea de la cuenca, en kilmetros cuadrados (km2).D:Dimetro de una cuenca circular con rea A, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%).

4) Ecuacin de Johnstone y Cross

Dnde:Tc:Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en metros por kilmetro (m/km).

5) Ecuacin de Giandotti

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).A: rea de la cuenca, en kilmetros cuadrados (km2).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente del cauce principal, en metros por metro(m/m).

6) Ecuacin de SCS Ranser

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).H: Diferencia de cotas entre puntos extremos de la corriente principal, en metros (m).

7) Ecuacin de Ventura Heras

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%).

8) Ecuacin de V.T. Chow

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en metros por metro (m/m).

9) Ecuacin del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los Estados Unidos

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en metros por metro (m/m).

10) Ecuacin de Hathaway

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).S: Pendiente total del cauce principal, en metros por metro (m/m).n: Factor de rugosidad, adimensional (ver Tabla 2.1)

Tabla 2.1. - Valores del factor de rugosidad n para la ecuacin de Hathaway

TIPO DE SUPERFICIEn

Uniforme con suelo impermeable0.02

Uniforme con suelo desnudo suelto0.10

Suelo pobre en hierba, con cosecha en hileras o moderadamente rugoso y desnudo0.20

Pastos0.40

Bosques maderables desarrollados0.60

Bosques maderables de conferas, o bosques maderables desarrollados con una capa profunda de humus vegetal o pastos0.80

11) Ecuacin de Izzard

Desarrollada experimentalmente en laboratorio por el Bureau of Public Roads, Estados Unidos, para flujo superficial en caminos y reas de cspedes. La solucin requiere de procesos iterativos; el producto de i por L debe ser menor o igual a 500.

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).i: Intensidad de la lluvia, en milmetros por hora (mm/h).c: Coeficiente de retardo, adimensional. Igual a 0.0070 para pavimentos lisos, 0.012 para pavimentos rugosos o de concreto y 0.06 para superficies densas de pastos.L: Longitud del cauce principal, en metros (m).S: Pendiente total del cauce principal, en metros por metro(m/m).

12) Ecuacin de Federal Aviation Administration

Desarrollada de informacin sobre el drenaje de aeropuertos, recopilada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los Estados Unidos; el mtodo fue desarrollado para ser utilizado en problemas de drenaje de aeropuertos, pero ha sido frecuentemente usado para calcular flujo superficial en cuencas urbanas.

Donde:Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).C: Coeficiente de escorrenta, del mtodo racional, adimensional.L: Longitud del cauce principal, en metros (m).S: Pendiente del cauce principal, en porcentaje (%).

13) Ecuacin la onda cinemtica (Morgali y Linsley, y Aron y Erborge)

Ecuacin para flujo superficial desarrollada a partir de anlisis de la onda cinemtica de la escorrenta superficial desde superficies desarrolladas; el mtodo requiere iteraciones debido a que tanto i (intensidad de lluvia) como Tc son desconocidos; la superposicin de una curva de intensidad-duracin-frecuencia da una solucin grfica directa para Tc.

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).i: Intensidad de la lluvia, en milmetros por hora (mm/h).n: Coeficiente de rugosidad de Manning de la superficie, adimensional.L: Longitud del cauce principal, en metros (m).S: Pendiente del cauce principal, en metros por metro (m/m).

14) Ecuacin de retardo del Soil Conservation Service, SCS

Ecuacin desarrollada por el SCS a partir de informacin de cuencas de uso agrcola; ha sido adaptada a pequeas cuencas urbanas con reas inferiores a 2000 acres (1 acre es igual a 4049.9 m2); se ha encontrado que generalmente da buenos resultados cuando el rea de drenaje se encuentra completamente pavimentada; para reas mixtas tiene tendencias a la sobreestimacin. Se deben aplicar factores de ajuste para corregir efectos de mejoras en canales e impermeabilizacin de superficies; la ecuacin supone que el tiempo de concentracin Tc es igual a 1.67 veces el tiempo de retardo de la cuenca, Tl.

Donde:

Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h).CN: Nmero de curva del SCS.L: Longitud del cauce principal, en metros (m).S: Pendiente del cauce principal, en metros por metro (m/m).

15) Ecuacin de George Rivero

Donde:Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).p: Relacin entre el rea de la hoya cubierta de vegetacin y el rea total de la misma, valor adimensional.S: Pendiente del cauce principal, en metros por metro (m/m).L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km).\

16) Ecuacin segn el mtodo de la velocidad del SCS

Donde:Tc: Tiempo de concentracin, en minutos (min).L: Longitud del cauce en el tramo de canal, en metros (m).V: Velocidad promedio del agua en el tramo de canal, en metros por segundo (m/s). En la Tabla 2.2 se dan valores tpicos para canales naturales con diferentes pendientes.

Tabla 2.2. - Velocidad promedio del agua en funcin de la pendiente del cauce (Referencia 2.7)

DESCRIPCIN DEL CURSO DE AGUAPENDIENTE EN PORCENTAJE

0-34-78-1112 o mas

VELOCIDAD (m/s)

Flujo no concentrado1

Bosques0-0.460.46-0.760.76-0.990.99 o mas

Pastizales0-0.760.76-1.071.07-1.301.30 o mas

Cultivos0-0.910.91-1.371.37-1.681.68 o mas

Pavimentos0-2.592.59-4.124.12-5.185.18 o mas

Flujo no concentrado2

Canal De SalidaLa ecuacin de Manning determina la velocidad

Canal Natural No Bien Definido0-0.610.61-1.221.22-2.132.13 o mas

1 Esta condicin usualmente ocurre en las partes superiores de la cuenca, antes de que el flujo superficial se acumule en un canal.2 Estos valores varan con el tamao del canal y otras condiciones. Cuando sea posible, se deben hacer determinaciones ms precisas para condiciones particulares mediante la ecuacin de velocidad en canales de Manning.

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FUNDAMENTOS DE ESCORRENTA SUPERFICIAL EN PROBLEMAS DE DRENAJE VIAL

La escorrenta superficial en problemas de drenaje, y particularmente en problemas de drenaje vial, parte del hecho desde el punto de vista conservador de que las cuencas hidrogrficas se encuentran hmedas cuando acontece el aguacero de diseo, de tal manera que la intercepcin y la detencin superficial ya han sido copadas por lluvias previas, y el nico elemento que descuenta agua de la precipitacin es el proceso de infiltracin.

De esta manera, la ecuacin fundamental de la hidrologa para el balance hidrolgico de la cuenca se puede expresar como: Esup = P - I

Donde:

Esup: Escorrenta superficial, en milmetros (mm).P: Precipitacin, en milmetros (mm).I: Infiltracin, en milmetros (mm).

De esta manera, para el clculo de la escorrenta superficial importan tanto la precipitacin de diseo como el fenmeno de infiltracin.

PROBABILIDAD Y ESTADSTICA DE VALORES MXIMOS DE PRECIPITACIN Y CAUDAL

El anlisis de frecuencias es un procedimiento para estimar la frecuencia de ocurrencia o probabilidad de ocurrencia de eventos extremos pasados o futuros.

El anlisis de frecuencias de datos hidrolgicos requiere que los datos sean homogneos e independientes. La restriccin de homogeneidad asegura que todas las observaciones provengan de la misma poblacin (por ejemplo, que la cuenca hidrogrfica no se haya urbanizado, o que no se hayan construido aguas arriba estructuras hidrulicas sobre la corriente principal o sus ms importantes tributarios).

Anlisis estadstico de datos hidrolgicosEn una serie de datos estadsticos de una estacin hidrolgica de medidas es indispensable resumir esta multitud de cifras en elementos caractersticos que definan la estacin desde el punto de vista considerado. Se busca definir una serie de n observaciones de valores individuales xi con i n, desde los tres puntos de vista siguientes:MediaMedianaModaDispersin o fluctuacin de diversas observaciones alrededor del valor central

Desviacin estndar S.Varianza VarRangoCoeficiente de variacinCoeficiente de asimetra

Ajuste de datos histricos a distribuciones probabilsticas e inferencias estadsticas

En obras hidrulicas se exige la determinacin de la magnitud de las caractersticas hidrolgicas que pudieran ocurrir con cierta frecuencia para valores mximos durante un perodo determinado. Para esto, se deben analizar estadsticamente las observaciones realizadas en los puestos de medida, verificando con qu frecuencia tomara cada una de ellas determinado valor. Posteriormente, se pueden evaluar las probabilidades tericas.

PERIODO DE RETORNO DE EVENTOS HIDROLGICOS MXIMOS EN OBRAS DE DRENAJE VIAL

Se define como periodo de retorno T de eventos hidrolgicos mximos en obras de drenaje vial, el tiempo promedio, expresado en aos, en que el valor del caudal pico de una creciente determinada es igualado o superado una vez.

El periodo de retorno T est ligado a la probabilidad de una distribucin probabilstica mediante la siguiente expresin:

Relacin entre el periodo de retorno, el riesgo permisible de excedencia y la vida til de la obra.

El periodo de retorno de la creciente de diseo de una obra de drenaje vial est ligado a la probabilidad de excedencia del caudal mximo instantneo ( al riesgo permisible de que el caudal de diseo sea superado) durante la vida til de la obra.

Periodos de retorno de obras de drenaje vial

Se debern adoptar los siguientes periodos de retorno para el clculo de caudales mximos instantneos anuales en obras de drenaje vial: