INTRODUCCIÓN

El objetivo del presente trabajo es desarrollar una metodología de diseño, presentar los principios hidráulicos fundamentales involucrados en el diseño de alcantarillas y desarrollar una metodología de diseño adecuada a las necesidades del proyectista.

El principal objetivo de las alcantarillas es sortear un obstáculo al paso del agua. En la mayoría de los casos se aplican al diseño vial, es decir, cuando el flujo es interceptado por un camino u otro tipo de vías.

Cuando se realiza el diseño geométrico 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 montaña, se interpone en el camino de escurrimiento de las aguas que bajan por la montaña. Cuando atraviesan un arroyo, un río, o cualquier otro canal, y aún en los paisajes más llanos la topografía del terreno obliga variar el movimiento del agua en alguna dirección. El camino, en la mayoría de los casos constituye un verdadero obstáculo al paso del agua.

En general, conviene evitar el contacto del agua con el paquete estructural. Por esta razón se exige que el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla no supere un cierto límite asociado a la conservación física del camino.

Es importante considerar la resistencia de la alcantarilla para que pueda soportar el peso de la tapada de tierra que la confina. Esto podría condicionar el material empleado en la alcantarilla. Con esto quiere ponerse de manifiesto que existen varios factores que se condicionan el dimensionamiento hidráulico de las alcantarillas, factores que se analizan a cada caso en particular, y que están fuertemente ligados a la experiencia del proyectista.

Es evidente que en toda obra de ingeniería se procura maximizar la relación beneficio - costo, por lo que el factor económico desempeña un rol principal en la selección de la alcantarilla más adecuada al problema planteado.

Por último, cabe mencionar que los casos atendidos en este trabajo corresponden a las situaciones que se presentan más comúnmente en el diseño, en lo que respecta al material y forma de las alcantarillas. Cualquier modificación sobre la misma deberá ser contemplada con el criterio adecuado, o bien, consultado en bibliografía más específica.

En este sentido se asume que todas las alcantarillas tienen sección transversal uniforme, con forma circular, ovalada o bóveda, tanto de hormigón como metálicas; y de sección rectangular, sólo de hormigón. La entrada puede consistir en el conducto de la alcantarilla prolongado fuera del terraplén (embocadura saliente), o cortado en bisel, según la pendiente de los taludes.

En síntesis, el diseño de alcantarillas consiste en determinar el tipo de sección, material y embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capaz de evacuar el caudal de diseño, 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 solución técnico-económica más conveniente.

1. DEFINICIÓN

Se denomina alcantarillado o red de alcantarillado  al sistema de estructuras y tuberías usados para el

transporte de aguas residuales o servidas (alcantarillado sanitario), o aguas de lluvia, (alcantarillado

pluvial) desde el lugar en que se generan hasta el sitio en que se vierten a cauce o se tratan.

Todavía existen en funcionamiento redes de alcantarillado mixto, es decir, que juntan las aguas negras y

las aguas de lluvia (sistemas unitarios). Este tipo de alcantarillado es necesario en zonas secas y con

épocas de escasa pluviosidad, puesto que los sistemas de pluviales no usados, pueden convertirse en un

foco de infecciones.

Las alcantarillas son estructuras de conductos cerrados, que sirven para conducir agua de un canal o un

dren, por debajo de un camino u otro canal. Generalmente, la alcantarilla disminuye la sección transversal

del cauce de la corriente, ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su

velocidad dentro del conducto y a la salida.

El éxito del diseño hidráulico radica, por consiguiente, en proveer una estructura con capacidad de

descargar, económicamente una cierta cantidad de agua dentro de los límites establecidos de elevación

del nivel de las aguas y de la velocidad. Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la

finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será la que con menor sección

transversal satisfaga los requerimientos de diseño.

Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circulares o de marco (cuadradas o

rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desagües o en cruces con carreteras, pueden fluir

llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y

principalmente los niveles de agua, tanto a la entada como a la salida. Es así como desde el punto de

vista práctico, las alcantarillas se han clasificado en función de las características del flujo a la entrada y a

la salida de la misma. 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 de 1.2

D a 1.5 D siendo D el diámetro o altura de la alcantarilla.

ALCANTARILLAS

2. TIPOS DE ALCANTARILLAS POR EL FLUJO A LA ENTRADA Y A LA SALIDA. SALIDA SUMERGIDA.

La carga hidráulica “H” a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante subcritico Y t a la

salida, es mayor a D (diámetro), en este caso la alcantarilla es llena.

Es decir:

- H* > D- Yt > D- Alcantarilla llena.

SALIDA NO SUMERGIDA.

Decimos que la descarga hidráulica está dentro del intervalo de 1.2D a 1. 5d es decir:

- 1.2D ≤ H* ≤ 1.5D. (Parcialmente llena).

3. CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS

El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores:

Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.

Pendiente del fondo de la alcantarilla.

Altura de ahogamiento permitido a la entrada.

Tipo de entrada.

Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.

Altura del remanso de salida.

Todos los factores se combinan para determinar las características del flujo de la alcantarilla.

El estudio de los tipos de flujo a través de las alcantarillas ha permitido establecer las relaciones

existentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el caudal y las dimensiones de la alcantarilla.

Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar:

El caudal de diseño.

La altura de agua permisible a la entrada.

La altura de agua a la salida.

La pendiente con que se colocará el conducto.

Su longitud.

El tipo de entrada.

Longitud y tipo de transiciones

La velocidad del flujo permisible a la salida

4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el BUREAU OF

RECLAMATION.

1. Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir, el

gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces dentro del

tubo mismo.

2. La elevación del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que no

sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la siguiente tabla. Con esta tabla de puede

definir el diámetro para los siguientes casos:

Una velocidad máxima admisible de 1.06 m/s (3.5 pies/s), para una alcantarilla con transición

en tierra, tanto a la entrada como para las salida.

Una velocidad máxima admisible de 1.5 m/s (5 pies/s), para una alcantarilla con transición de

concreto, tanto para la entrada como para la salida.

3. La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro de la

tubería más 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir:

D+1.5hv

Donde:

hv= v2

2 g

4. La pendiente mínima de la alcantarilla es de 0.005 (So=50/00)

5. Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo:

En carretera principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.90 m (3pies).

En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínimas de 0.60 m (2pies).

6. Talud a la orilla del camino: 1.5 : 1

7. Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previenen la erosión disminuyendo los cambios

de velocidad.

Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo - cemento.

Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos:

En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales.

En las alcantarillas Con diámetro mayor a 36 pulg. (91.44 cm).

En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 m/s (3.5 pies/s).

La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4:1

8. Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del tubo.

9. Las pérdidas asumidas son 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las pérdidas por

fricción.

hT 1=1.5hv+hf E ……….(1)

10. Para el cálculo de las pérdidas en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la siguiente

fórmula, en el sistema métrico decimal:

hT 2=Q2( 0.0828 (1+K e )D4 + 10.2907n2 L

D16 /3 ) …………(2)

Donde:

hT 2=carga , enm.

K e=coeficiente de pérdidas a laentrada .

D=diámetrode la tubería , enm.

n=coficiente derugosidad .

L=longitud de laalcantarilla , enm.

Q=caudal , enm3/ s

Se han determinado valores experimentados de K e para las diferentes condiciones de la entrada,

los cuales varían en la forma que se indica:

5. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Un procedimiento simplificado para el diseño de una alcantarilla, cuyos parámetros se indican en esta

figura, es como sigue:

1. Calcular las dimensiones del canal, es decir, definir sus dimensiones y parámetros hidráulicos.

2. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando la tabla

anterior, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para una transición de tierra elegir

v=1.065m /s y para una transición de concreto elegir v=1.52m /s .

3. Calcular el área A con el diámetro elegido:

A=πD2

4

4. Calcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el área calculada, usar la

ecuación de continuidad:

v=QA

5. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla:

hv= v2

2 g

6. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla:

NAEA=elevación del nivelde aguaenel canal , ala entrada de la alcantarilla.

Cota A=cota de fondo del canal antes de latransición

y=tirante enel canal .

7. Calcular cotas:

Cota B=NAEA−1.5h−D

Cota F=CotaB+ D+cobertura

Cota E=Cota A+H

Donde:

Cota B=elevación del fondo de latubería al inicio de la alcantarilla.

Cota F=elevación de lacarretera ,o fondodel canal atravesar .

Cota E=elevacióndel ancho decorona del canal .

H=profundidad del canal( incluyeborde libre)

Cobertura=profundidad de coberturade la alcantarilla

8. Calcular la longitud total de la alcantarilla:

L=2× Z× (Cota F−Cota E )+ancho delcaminoDonde:

Z talud del camino

Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de la longitud de tuberías que existen en el

mercado.

9. Calcular caída en la tubería:

∆ Z=LSo

Donde:

∆ Z=diferencia decotas ,al inicio y al final de la alcantarilla.

L=Longitud de latubería .

So=pendiente de latubería .

Somin=0.005

10. Calcular Cota C:

CotaC=CotaB−∆ Z

Donde:

CotaC=elevación del fondo al finalde laalcantarilla .

11. Calcular la pendiente de la línea de energía:

SE=( vnR2/3 )

2

12. Calcular hf E:

hf E=L SE

13. Calcular las pérdidas asumidas hT 1, usando la ecuación: (1)

hT 1=1.5hv+hf E

14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA

NASA=NAEA−hT 1

15. Calcular cota en D:

CotaD=NASA− y

Donde:

CotaD=elevacióndel fondo del canal después de la alcantarilla.

y=tirante enel canal .

16. Calcular las longitudes de las transiciones:

L1=3D o5´ min

L2=4 D o5´ min

Se puede utilizar también la ecuación de Hinds:

L= T−t

2 tan 22.5°

17. Calcular el talud de la transición:

Z= LElev . A−Elev .B

Verificar que sea menor que el talud 4:1, es decir que Z≥4

18. Calcular las pérdidas reales hT 2, usando la ecuación (2):

Esta ecuación en el sistema métrico decimal, es:

hT 2=Q2( 0.0828 (1+K e )D4 + 10.2907n2 L

D16 /3 )

Donde:

hT 2=carga , enm.

K e=coeficiente de pérdidas a laentrada .

D=diámetrode la tubería , enm.

n=coeficiente derugosidad .

L=longitud de laalcantarilla , enm.

Q=caudal , enm3

s.

19. Verificar que hT 2≤ hT 1

Diseñar una alcantarilla similar a la que se mostró en la figura anterior que

permita el cruce del canal, con un camino y cuyos parámetros se indican

o Datos del canal

Q=0.50m3 /s

b=0.80m .

Z=1

n=0.025

S=0.0005

o Datos de la alcantarilla par el cruce de un camino parcelario.

n=0.014

S=0.005mínimo

L1=3D ó5 ´ mínimo

L2=4D ó5 ´ mínimo

EJEMPLO DE DISEÑO

HIDRÁULICO DE UNA

ALCANTARILLA.

o Datos del camino

Ancho del camino=6.00m

Pendientea la orilladel camino=1.5 :1

Elevación en A=105.50 (de acuerdo al plano topográfico)

Solucionaremos el ejercicio de acuerdo a los pasos indicados anteriormente.

Solución:

1. Calcular las dimensiones del canal, es decir, definir sus dimensiones y parámetros hidráulicos.

Q=0.50m3 /s

b=0.80m .

Z=1

n=0.025

S=0.0005

Tirante (Y):

(0.8 y+ y2)5 /3

(0.8+2 y √2)2 /3= 0.01250.00051 /2

(0.8 y+ y2)5 /3

(0.8+2 y √2)2 /3=0.5591

Calculando manualmente el Y=0.7067

Calculamos los elementos del canal.

A=(0.8 y+ y2 )=0.8∗0.7067+0.70672=1.0647m2

p= (0.8+2 y √2 )=0.8+2∗0.7067∗√2=2.7988m

R= Ap=1.06472.7988

=0.3804m

v=QA

= 0.51.0647

=0.4696m /s

F= v

√g∗y= 0.4696

√ 9.81∗1.06472.2134

=0.2162

E= y+ v2

2 g=0.7067+ 0.4696

2

2∗9.81=0.7179 m-kg/kg

2. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando la tabla

anterior, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para una transición de tierra elegir

v=1.065m /s y para una transición de concreto elegir v=1.52m /s .

Tomando v=1.52m /s para transiciones de concreto:

Teniendo un Q= 0.5m3/s y considerando una transición de concreto decimos que el D=27”, pero por tema

de criterio tomaremos d=30”.

D= 30 pulgadas = 0.762 m

3. Calcular el área A con el diámetro elegido:

A=πD2

4=π

0.7622

4=0.456m2

4. Calcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el área calculada, usar la

ecuación de continuidad:

v=QA

= 0.50.456

=1.10ms

.

5. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla:

hv= v2

2 g= 1.102

2∗9.81=0.0617

6. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla:

NAEA=elevación del nivelde aguaenel canal , ala entrada de la alcantarilla.

Cota A=cota de fondo del canal antes de latransición = 105.50 m

y=tirante enel canal . = 0.7067 m

NAEA=105.50+0.7067=106.2067m

7. Calcular cotas:

Cota B=NAEA−1.5hv−D

Cota B=106.2067−1.5∗0.0617−0.762=105.3522m

Cota F=CotaB+ D+cobertura

Cota F=105.3522+0.762+0.60=106.7142m

Cota E=Cota A+H

Tomando el borde libre de canal de 0.30 m

Cota E=105.50+0.7067+0.30=106.5067m

Donde:

Cota B=elevación del fondo de latubería al inicio de la alcantarilla.

Cota F=elevación de lacarretera ,o fondodel canal atravesar .

Cota E=elevacióndel ancho decorona del canal .

H=profundidad del canal( incluyeborde libre)

Cobertura=profundidad de coberturade la alcantarilla

8. Calcular la longitud total de la alcantarilla:

L=2× Z× (Cota F−Cota E )+ancho delcaminoDonde:

Z talud del camino

Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de la longitud de tuberías que existen en el

mercado.

L=2×1.5× (106.7142−106.5067 )+6.00 =6.6225 m

9. Calcular caída en la tubería:∆ Z=LSo

Donde:

∆ Z=diferencia decotas ,al inicio y al final de la alcantarilla.

L=Longitud de latubería .

So=pendiente de latubería .

Somin=0.005

∆ Z=6.6225∗0.005=0.0331m

10. Calcular Cota C:

CotaC=CotaB−∆ Z

Donde:

CotaC=elevación del fondo al finalde laalcantarilla .

CotaC=105.3522−0.0331=105.3191m

11. Calcular la pendiente de la línea de energía:

SE=( vnR2/3 )

2

SE=( 1.1∗0.014( 0.7624

)2 /3 )

2

=0.0022

12. Calcular hf E:

hf E=L SE

hf E=6.6225∗0.0022=0.00137

13. Calcular las pérdidas asumidas hT 1, usando la ecuación: (1)

hT 1=1.5hv+hf E

hT 1=1.5∗0.0617+0.00137=0.0939

14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA

NASA=NAEA−hT 1

NASA=106.2067−0.0939=106.1128m

15. Calcular cota en D:

CotaD=NASA− y

Donde:

CotaD=elevacióndel fondo del canal después de la alcantarilla.

y=tirante enel canal .

CotaD=106.1128−0.7067=105.4061

16. Calcular las longitudes de las transiciones:

L1=3D o5´ min = 3* 0.762 =2.286 m

L2=4 D o5´ min = 4* 0.762 =3.048 m

Se puede utilizar también la ecuación de Hinds:

L= T−t

2 tan 22.5°

L=2.2134−0.7622 tan 22.5°

=1.75m

17. Calcular el talud de la transición:

Z= LElev . A−Elev .B

Verificar que sea menor que el talud 4:1, es decir que Z≥4

Z= 1.75105.5−105.3522

=11.8

18. Calcular las pérdidas reales hT 2, usando la ecuación (2):

Esta ecuación en el sistema métrico decimal, es:

hT 2=Q2( 0.0828 (1+K e )D4 + 10.2907n2 L

D16 /3 )hT 2=0.5

2( 0.0828 (1+0.15 )0.7624

+10.2907 0.0142∗6.6225

0.76216 /3 )=0.0848Donde:

hT 2=carga , enm.

K e=coeficiente de pérdidas a laentrada .

D=diámetrode la tubería , enm.

n=coeficiente derugosidad .

L=longitud de laalcantarilla , enm.

Q=caudal , enm3

s.

19. Verificar que hT 2≤ hT 10.0848≤0.0939

¡OK!