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UNIDAD 6 DESAGUES PARTE 2 CUNETAS - ALCANTARILLAS
Bibliografía Consultada
Carreteras – Estudio y Proyecto Jacob Carciente
Curso de Hidraulica e Hidrologia Vial 2003 Ing.. Guillermo A.Cornejo,Ing. Mario J. Venezia DVBA
Curso de Hidraulica Lorenzo A. Facorro Ruiz
Calculo Hidraulico de Alcantarillas Ingeniero Facundo J. Alonso 2005 Gráficos Hidráulicos para el cálculo de Alcantarillas Ing.F.G.O. Ruhle DNV 1966
Hydraulic Design of Highway Culverts Federal Highway Administration 2012
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Gráficos Hidráulicos para el Diseño de Alcantarillas del Ing. Federico G. O. Ruhle – Dirección Nacional
de Vialidad – Año 1966.
OBRAS LINEALES DE SUPERFICIE
Estas obras comprenden los sistemas de desagüe que evacuan las aguas superficiales que escurren dentro de las zonas afectadas por la traza de un camino.
Están compuestas por cordón cuneta, cunetas y canales. El caudal de los flujos en estos sistemas depende de las lluvias o nevadas estando vinculados a las características climatológicas de la región.
Se diseñan para recibir aportes de subcuentas que se interrumpen por la traza del camino y para recibir el desagüe de la ruta y colectoras. A veces también reciben aguas de desagües urbanos próximos a la carretera.
Además del evento de máxima dado para un tiempo de recurrencia adoptado, se suceden numerosos episodios con flujos menores, los cuales al escurrir con menor caudal y velocidad, suelen producir un [proceso de sedimentación del material solido transportado.
Importante es por lo comentado anteriormente el mantenimiento de las cunetas que corren paralelas a la traza de la ruta para su correcto funcionamiento.
Además como se verá más adelante se deben tomar los recaudos necesarios al seleccionar las velocidades máximas permisibles por el tema de la erosión
Los canales con estas características son denominados en los tratados de hidráulica con el nombre de canales erosionables o también canales abiertos.
Características de este tipo de Obras
* La ubicación de estas cunetas esta prefijada, su traza está condicionada por el eje de la carretera.
* Los suelos empleados en su construcción son los que componen los estratos locales.
* En las cunetas el ancho, con la salvedad de un ancho mínimo compatible con los requerimientos de los trabajos de los equipos viales, queda librado a los requerimientos del movimiento de suelos para los terraplenes. Muchas veces se fija un mínimo para el ancho de la solera, usualmente 2 a 3 metros.
* La profundidad de la sección tiene que ver con su dimensionamiento, pero además se fija como criterio una distancia mínima entre la rasante y el fondo de la solera de por lo menos 1.20 metros. Se debe tratar que la nivel máximo de agua estimado este siempre por debajo de la estructura de pavimento.
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PENDIENTES
En este tipo de obras a veces no hay mucho margen para poder seleccionar la pendiente más adecuada para el escurrimiento, sobre todo en llanura.
Cuando mas llano es el terreno mayor será la dificultad de poder diseñar pendientes mínimas del orden del 0.5% al 0.2%.
Cuando la pendiente natural del terreno es acompañada por la cuneta, el agua circula naturalmente, sin tener que colocar pendientes adicionales.
En topografías onduladas o montañosas se presenta la dificultad de poder compatibilizar el diseño de las cunetas con un control adecuado de los procesos de erosión. En general la solución en estos casos es revestir el canal o cuneta, también en menor medida utilizar retardadores.
En estos casos además es fundamental provocar salidas graduales de los escurrimientos por medio de alcantarillas aliviadoras de caudales hacia aguas abajo de la carretera, a fin de no potenciar la energía de los flujos.
A la salida de estas alcantarillas deben diseñarse sistemas específicos de evacuación de aguas (denominados bajantes) ,que son por ejemplo las escaleras pre moldeadas de hormigón o revestimientos en el talud del terraplén para evitar la erosión.
Las cunetas aguas abajo de la ruta desaguan solo media calzada, banquinas y taludes, lo que nos permite mayor libertad para resolver la hidráulica de estos sistemas.
SECCION TRANSVERSAL
La sección circular es la que aporta mayor eficiencia hidráulica, pero los canales y cunetas en los desagües de las carreteras deben cumplir otros condicionamientos.
Entre las principales pautas de diseño pueden mencionarse:
Bajos costos de mantenimiento
Otorgar seguridad al transito
Tener buena apariencia estética
Las secciones proyectadas deben permitir ser construidas con las técnicas y equipos empleados para obras Viales
Las secciones más usuales son las trapeciales, triangulares, rectangulares si el canal es
Revestido.
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El talud debe estar en consonancia con el tipo de suelo, Ven Te Chow (1982) propone Taludes para
canales en relacion al tipo de suelo.
ALTURA LIBRE
Se denomina altura libre de un canal a la diferencia de cotas entre el borde superior del canal yy la
superficie del agua del caudal dde diseño.
Para el diseño de cunetas se debe tener en cuenta que el agua no afecte la estructura de pavimento ( Hi)
y ademas no debe desbordar hacia el terreno natural lindero anegando colectoras y propiedades
frentistas (He > 0.40m))
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REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
Cunetas de suelo natural
Como ya se explico anteriormente , el ancho de solera es funcion de las necesidades del movimiento de
suelos para la cosntruccion de terraplenes con un ancho minimo que surge de una utilizacion racional de
los equipos viales.
En terrenos llanos en general se especifican minimos del orden de 2.00 a 3.00 metros, disminuendo el
valor en obras con exceso de desmosntes.
En laderas con pendientes importantes y piso de roca suelen emplearse secciones triangulares.
Con todo lo expuesto vemos que para el diseño de la seccion debemos verificar : La profundidad del
escurrimiento y la velocidad del flujo para evitar erosiones. Esto debe realizarse en aquellos puntos
que la magnitud de los caudales puedan provocar velocidades superiores a la admisible o profundidades
de escurrimiento no tolerables.
En las cunetas revestidas con cesped tendremos perdida de energia y retardo en el flujo,en zonas con
suelo erosioanables este revestimiento es favorable, ya que dara proteccion al suelo y disminuira la
velocidad de escurrimiento.
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En el caso de que la velocidad del agua o la profundidad del escurrimiento sean mayores a las
permitidas puede optarse por las siguientes alternativas :
El diseño de cunetas consta de 2 partes :
1) Determinacion de la seccion adecuada para la descarga del canal.
2) Determinacion de la velocidad del fluido en la misma , a fin de compararla con la velocidad
maxima admisible según el tipo de suelo.
Estos determinara la proteccion contra la erosion a proyectar en el caso de que la velocidad
supere la maxima admisible o se volvera a proyectar con nuevas dimensiones.
PASO 1
AREA NECESARIA A [M2] = Q [m3/seg ] / ( V [m/seg] x 0.80 )
Para el predimencionamiento se toma la Velocidad (m/seg) = V x 0.80 , para la misma se especifica en
la Tabla B1
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Tabla B1 Velocidad Maxima permisible en canales con suelos naturales
Una vez determinada la seccion A ( m2) es funcion del proyectista fijar las variables que faltan
para resolver el problema.
1)Determinar la forma
2) Determinar la altura del tirante de agua (y) , el ancho de la solera , y si es trapecial determinar la
inclinacion de los taludes.
3)Debemos tener informacion del tipo de suelo donde se va a construir la cuneta.
Una vez fijados todos estos parametros tenemos definida la geometria de la seccion y estamos en
condiciones de calcular las variables del problema que dependen de su geometria .A estos resultados los
vamos a necesitar para las verificaciones que debemos realizar.
Estos son :
Perímetro mojado
En un canal, el perímetro mojado es el contorno del canal que está en contacto con el agua. En un tubo, trabajando a sección llena, el perímetro mojado coincide con la circunferencia interior del tubo.
Área mojada
En un canal, el área mojada, se entiende como la superficie que ocupa el agua en una sección perpendicular al flujo. Esta sección está definida, en la parte superior por la línea de agua, y en la parte inferior por el canal mismo. En un tubo trabajando a sección llena, el área mojada coincide con la sección del tubo.
El Radio Hidráulico, es un parámetro importante en el dimensionado de canales, tubos y otros
componentes de las obras hidráulicas, generalmente es representado por la letra R, y expresado en m es
la relación entre El área mojada (A, en m²). El perímetro mojado (P, en m).
Es decir: Radio Hidráulico :
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TABLA B2 CARACTERISTICAS DE DISTINTOS TIPOS DE SECCION
Paso 2 Verificación de la velocidad de escurrimiento
Conocida la sección, debe calcularse la velocidad real de escurrimiento V
y verificar que la Velocidad real es < Que la velocidad Max .
Si esto no verifica se redimensiona o reviste el conducto.
Efecto de la gravedad - Numero De Froude
Se representa por la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales. Establece la relación entre la energía cinética y la profundidad del flujo. D:profundidad
Flujo Suscritico: Fuerzas gravitacionales dominantes, baja velocidad.
Flujo Supercrítico: Fuerzas inerciales dominantes, altas velocidades.
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Formula de Bazin (1897) para determinar la velocidad media
Donde R
R : Radio Hidráulico (m)
i : pendiente del canal (m/m)
El coeficiente c depende del radio Hidráulico y de que varia según la rugosidad o sea de acuerdo con la naturaleza de las paredes del canal.
Ver tabla B3 para el valor de
TABLA B3
Puede conseguirse una disminución de la velocidad, disminuyendo el Radio Hidráulico, suponiendo el área de escurrimiento constante puede aumentarse el perímetro mojado.
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Abaco para la aplicación de la fórmula de Bazin
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Formula del Ing. Robert Manning para determinar la velocidad media
Los valores del coeficiente de Rugosidad de Manning propuestos por Ven Te Chow (1982) se indican en la tabla B4
TABLA B4 Coeficiente de Manning
Haciendo Algebra con la primera expresión llegamos a :
En general son necesarias varias iteraciones a partir del resultado de la primera aproximación, para llegar a un diseño óptimo. Programas específicos de la especialidad realizan esta secuencia hasta llegar a la solución del problema.
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EJEMPLO CANAL DE SUELO
DATOS
Caudal de diseño = 1.5 m3/seg -
Pendiente Longitudinal = 0.5 %
Caracteristicas Suelo= Arcilla Vel. máx. : 1.50 m/seg
Tirante adoptado 0.50m - Taludes laterales 1:2 - Ancho de solera : 2.00 metros
Para Verificación Velocidad Coef. azin:/ CoefManning : 0.03 tierra c/hierva.
Resultados con el método expuesto
Área mojada 1.50m2 / Perímetro mojado: 4.23m / Radio hidráulico: 0.354m
Velocidad (Bazin): 1.14 m/seg < Ve / Velocidad (Manning): 1.17 m/seg <Ve
Verifica la sección propuesta.
Resolución con Software para cálculo de Canales.
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EJEMPLO CANAL DE HORMIGON
DATOS
Caudal : 3.5 m3/seg.
Pendiente 0.7 %
Canal de Hormigón Vel max : 3.00 m/seg
Tirante adoptado 1.00m – Paredes Verticales - Ancho de solera :1.60metros
Para Verificación Velocidad Coef. azin:/ CoefManning : 0.02 Hormigon.
Resultados con el método expuesto
Área mojada1.60m2 / Perímetro mojado: 3.60m / Radio hidráulico: 0.444m
Velocidad (Bazin): 2.87 m/seg < Ve / Velocidad (Manning): 2.43 m/seg <Ve
Verifica la sección propuesta.
Resolución con Software para cálculo de Canales.
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ALCANTARILLAS
Tipologia de los flujos
Tipos genericos de control de flujo en una alcantarilla
Control de entrada
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Control de salida
Sistematizando el diseño hidraulico de alcantarillas tendremos que si la pendiente del conducto es igual
o mayor a la critica (Control de entrada) la seccion se diseña con las expresiones que verifican el
maximo caudal en la embocadura (Vertedero,compuerta,orificio),mientras que si la pendiente es inferior
a la critica (Control de conducto) el diseño debe realizarse en base a las expresiones que resuelven el
funcionamiento hidraulico de canales.
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Maximas pendientes criticas para alcantarillas trabajando sin carga Hidraulica (H=Y)
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CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE LAS ALCANTARILLAS
Extracto del Curso de Hidraulica e Hidrologia Vial Ings. G.Cornejo –M.Venezia
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METODO DE LA FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION PARA EL CALCULO
HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS
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CALCULOS PARA FLUJO CON CONTROL DE
ENTRADA
Extraido de Calculo Hidraulico de Alcantarillas Ing. F. Alonso
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CAÑO CIRCULAR DE HORMIGON – CONTROL DE ENTRADA
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CAÑO CIRCULAR DE ACERO CORRUGADO – CONTROL DE ENTRADA
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ALCANTARILLA DE HORMIGON CON CONTROL DE ENTRADA
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Flujo con control de salida
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Flujo Con Control De Salida
HE = H + ho – L x So
HE = Nivel a la entrada
ho = Nivel a la salida
L= Longitud del conducto
So = pendiente del conducto
Caso A
El coeficiente ke o Ce para algunos autores tiene en cuenta las perdidas en la entrada de la alcantarilla
,se obtiene de la tabla publicada a continuacion en funciondel tipo de embocadura a la entrada.
Una vez determinado el valor de H el resto de las variables de la ecuacion 1 son conocidas.
Para alcantarillas que fluyen llenas Ho es igual a la altura del conducto o a la altura del agua de salida,
para alcantarillas parcialmente llenas Ho es ( hc + D ) /2 hc =Tirante critico , D altura del conducto
,para alcantarillas parcialmente llenas.
El termino L x So es la longitud de la alcantarilla multiplicada por su pendiente.
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RESOLUCION DE LOS CASOS CASO B – C – D
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VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO EN ALCANTARILLAS
Toda alcantarilla al ser una restriccion al flujo, incrementa la velocidad de escurrimiento del agua
respecto a la del cause natural.
El diseño sera tal que no provoque procesos erosivos,ya sea dentro del conducto como a la salida del
mismo.
La construccion de plateas dentro del conducto y de plateas adicionales entre los muros de alas a la
entrada y salida de la misma permiten soportar esas mayores velocidades de escurrimiento.
Si la alcantarilla diseñada provoca a la salida del conducto procesos erosivos, es necesario realizar obras
complementarias que controles dichos procesos, como retardadores o saltos.
Velocidad Maxima permisible en canales con suelos naturales (Caltrans 1995)
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La verificacion de la velocidad de escurrimiento se realiza en la desembocadura dela alcantarilla
calculando el area de la seccion mojada de acuerdo a la profundidad real del escurrimiento.
Tal profundidad depende de las caracteristicas del flujo.
Una vez determinada la seccion a de escurrimiento ,calculamos la velocidad.
Valor que se vera afectado por los coeficientes que han sido indicados en la pagina anterior,según la
salida de la alcantarilla para considerar el aumento de velocidad a la salida de la misma.
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PROFUNDIDAD CRITICA
PARA SECCIONES RECTANGULARES
PARA SECCIONES CIRCULARES
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