ESTRUCTURA DRENAJE EN CARRETERAS

A. Drenaje de aguas Superficiales.

El drenaje superficial tiene el propósito de alejar las aguas de las carreteras.

Esto evitara su influencia negativa, tanto en el aspecto de la estabilidad de su

infraestructura, como en sus condiciones de transitabilidad. Las dimensiones

de la sobras de drenaje serán determinadas en base a cálculos hidráulicos,

tomando como base la información pluviométrica disponible.

B. Drenaje del agua que escurre el pavimento

La eliminación del agua que escurre sobre la superficie del pavimento, se

efectúa por medio del bombeo en las secciones en tangente y mediante peralte

en las curvas, de modo que el escurrimiento sea hacia las cunetas. Los paseos

de una carretera pavimentada se someterán a un tratamiento de

impermeabilización. De este modo se lograra fijar los agregados y se evita que

estos sean arrastrados a las cunetas por el agua que fluye desde el pavimento.

OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS

Las estructuras de drenaje tienen como objetivo controlar el agua que llega ala

Vía y la afectan por escurrimiento superficial, independientemente que las

aguas hayan caído sobre o fuera de la vía.

A. PROCESO CONSTRUCTIVO DE UNA OBRA DE DRENAJE

1. Drenaje de carreteras.

Los tubos de polietileno corrugados se usan ampliamente para drenajes

transversales, paso de carreteras y drenajes inferiores en carreteras de

todo el país. Duran de tres a cinco veces más que los tubos de metal

corrugados, son mucho más ligeros y fáciles de instalar que los tubos de

hormigón y sigue siendo suficientemente fuerte como para resistir la

presión del suelo a profundidades de 100 pies. El polietileno de alta

densidad es también suficientemente fuerte como para resistir la

escorrentía más abrasiva así como los esfuerzos de tracción que tienen

lugar en los nuevos revestimientos de tubos existentes.

2. Drenajes transversales.

Al instalar drenajes transversales, es importante usar tubos que puedan

resistir el tráfico pesado de la carretera que está encima. Con su exterior

corrugado, los tubos n-12 de ads soportan cargas h-25 y e80. También

se instalan de forma rápida y sencilla.

3. Drenajes longitudinales.

El diseño de paneles exclusivo de los tubos advan edge de ads permite

un drenaje rápido, haciendo que sea perfectos para aplicaciones críticas

en función del tiempo tales como carreteras y autopistas en los que el

tiempo es crucial.

Debido a que están hechos del mismo polietileno de alta densidad que

otros tubos de ads, son estructuralmente más fuertes que otros drenajes

longitudinales y no requieren un producto geotextil para soporte.

Su resistencia les permite mantener su forma, haciendo que sea más

eficiente que otros productos de drenajes longitudinales y brindando el

doble de caudal hidráulico. Ads también ofrece tubos redondos de 4"

rodeados por grava como drenajes longitudinales.

CAJAS VERTEDORAS

A. Estructuras de entrada, interconexión y salida.

Las estructuras de entrada, interconexión y salida tienen la función de

permitir en forma controlada, el ingreso, el paso y la salida del agua

respectivamente. Son cajas de concreto reforzado equipados con

vertedores que se encargan de controlar el flujo de agua.

B. GENERALIDADES:

Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para

lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción

destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con

elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y

el desarrollo de la humanidad.

Un nudo hidráulico es el conjunto de estructuras hidráulicas localizadas en

un sitio y trabajando interconectada mente.

Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su

utilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores de la

economía

1. CRUCE DE VIA.

Conduce el agua del canal por debajo de una vía de carretera o

ferrocarril. El conducto queda constituido por una tubería recta que

trabaja llena peso sin presión.

La alternativa a cruce de vía es un puente construido en la vía de

carretera o ferrocarril, Para caudales moderados se usa siempre cruce

de vía.

2. aliviadero lateral.

Se ubica en la pared del canal con la cresta paralela al eje del canal.

3. TOMA LATERAL

Se ubica en la pared del canal con el fin de derivar una parte del agua

4. Vertederos:

Consiste de una placa con una escotadura. La forma de la escotadura

define el nombre del vertedero. Los vertederos graduables tienen la

escotadura variable, de manera que permiten medir un rango más

amplio de caudales con la misma precisión.

5. CAJA VERTEDORA.

Es una estructura, utilizada en combinación con una toma de tubería,

que permite disipar el exceso de energía del agua y medir el caudal en el

canal derivado.

a) ESTRUCTURAS DE DISIPACION DE ENERGIA:

Se usan para disipar el exceso de energía cinética que en

ocasiones posee el agua circulante. Por lo general forman parte de

otras estructuras mayores, constituyendo el elemento disipador de

tales estructuras.

b) ESTRUCTURAS DE DISIPACION DE TIPO IMPACTO

Dirigen el agua a una obstrucción de donde luego es desviada en

todas las direcciones. De ese modo se produce la disipación.

Salida con placa de choque.

c) POZO DISIPADOR CON VÁLVULA DE MANGA

CRITERIOS DE DISEÑO

A. Criterios y parámetros de diseño.

El desarrollo de un anteproyecto es fundamental para consolidar un

sistema de tratamiento que satisfaga las expectativas de la planeación;

desde luego se deben incluir todos los aspectos de las especificaciones

técnicas, que se involucran con la concepción del sistema, como son:

topografía, mecánica de suelos, caracterización de las aguas residuales,

hidráulica, control y arquitectura.

Los criterios y parámetros de diseño que se usarán para diseñar como por

ejemplo, se encuentra dentro de los ámbitos siguientes:

1. Gasto de diseño.

Gasto medio. 120 lps.

Gasto mínimo. 60 lps.

Gasto máximo instantáneo. 289.21 lps.

Coeficiente de Harmon. 2.41

Capacidad de la planta de

tratamiento.

120 lps.

Número de módulos. 3

Gasto nominal por módulo. 40 lps.

Para la cuestión de balance hidráulico del diseño, es necesario

conocer las características climáticas e hidrológicas de la zona de

estudio, mismas que se relacionan a continuación:

Temperatura media anual. 23.6º C.Temperatura mínima anual promedio. 6.8º C.Temperatura máxima anual promedio. 41.4º C.Número de días despejados al año. 75.4 días.Número de días con nublados. 248.7 días.Humedad relativa media anual. %Precipitación media anual. 526.9 mm.Precipitación media mensual:

Enero. 33.2Febrero. 37.4

Marzo. 20.7Abril. 36.1Mayo. 60.3Junio. 76.1Julio. 30.6Agosto. 43.0Septiembre. 98.9Octubre. 45.4Noviembre. 22.1Diciembre. 23.1

Número de días al año con precipitación inapreciable.

30.9 días.

Número de días al año con precipitación apreciable. 79.4 días.Evaporación media anual. 1583.6 mm/día.

2. Parámetros de diseño.

En el cuadro se indican los parámetros físicos, químicos y

bacteriológicos que se utilizan para el diseño del sistema de

tratamiento.

Cuadro: PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BACTERIOLÓGICOS.

PARÁMETRO UNIDAD INFLUENT

E

Físicos.Temperatura del agua. ºC 26Sólidos sedimentables. mg/l 3Sólidos suspendidos totales.

mg/l 260.714

Químicos.PH. --- 7.046Grasas y aceites. mg/l 38.5DBO5 mg/l 260.714DQO mg/l 500.5Fósforo. mg/l 5.569Nitrógeno total. mg/l 42.156

Bacteriológicos.Coliformes fecales. NMP/100

ml6.82×105

Huevos de Helmintos. (h.h./l) ---

3. Criterios de diseño.

Sistema lagunar.

En la actualidad existen diversos criterios para el diseño de

lagunas de estabilización, su aplicación está en función del tipo de

laguna y las necesidades particulares de cada estudio.

En el presente estudio, la premisa es la reducción de carga

orgánica y patógena; para tal efecto se adoptará el modelo de

flujo disperso, cuya aplicación es correcta para describir la

reducción tanto de patógenos como de carga orgánica. Este

criterio está dado por la expresión.

CCo

= 4ae( 12 d )

(1+a ) ² e( a2 d )

−(1−a ) ² e(−a2 d )

Dónde:

Co: Concentración del contaminante en el influente.

C: Concentración del contaminante en el efluente.

d: Factor de dispersión (en función de las características de la

laguna).

a: Constante.

Resumiendo, se tiene lo siguiente:

LAGUNA CRITERIO DE DISEÑO MODELO

APLICADO

Anaerobia. Remoción de carga orgánica. Flujo disperso.

Facultativa. Remoción de carga y patógenos. Flujo disperso.

Maduración

.

Remoción de carga y patógenos. Flujo disperso.

DISEÑO HIDRÁULICO

El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel

caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el

nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el

canal, el caudal considerado como de máxima avenida.

El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal,

siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10

cm encima del tirante normal.

La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del

canal, corresponde al valor Yn.

Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a

continuación se describe la fórmula de Forchheiner.

Dónde:

V = 0.95

µ = coeficiente de contracción

L = longitud del vertedero

h = carga promedio encima de la cresta

Alcantarilla

1. El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su

diámetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25 m/seg.,

en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del

canal donde ésta será construida, sólo en casos especiales la velocidad

será mayor a 1.25 m/seg.

2. La cota de fondo de la alcantarilla en la transición de entrada, se obtiene

restando a la superficie normal del agua, el diámetro del tubo más 1.5

veces la carga de velocidad del tubo cuando éste fluye lleno o el 20%

del tirante de la alcantarilla.

3. La pendiente de la alcantarilla debe ser igual al a pendiente del canal.

4. El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para

caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con la panamericana de

0.9 m.

5. La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos se

conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima

de 4:1.

6. El talud máximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor

de 1.5:1

7. En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben diseñarse en

flujo supercrítico.

8. Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.

9. Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel del agua libre, llegando

a mojar toda su sección en periodos con caudales máximos.

10.Las pérdidas de energía máximas pueden ser calculadas según la

fórmula:

Perd .=(Pe+Pf +Ps )∗Va2

2g

Donde los coeficientes de pérdida pueden ser determinadas según lo

explicado anteriormente:

Pe = Pérdidas por entrada

Ps = Pérdidas por salida

Pf = Pérdidas por fricción en el tubo

Va = Velocidad en la alcantarilla

El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular mediante el

diagrama de Moody o por el método que más se crea conveniente.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

1. DISEÑO DE ALCANTARILLA DE CAJON

Se necesita diseñar una alcantarilla de cajón simple teniendo en cuenta la

topografía del terreno entregada y los siguientes datos:

Área tributaria de la cuenca: ( A ) 3.5 km2

Coeficiente de escorrentía ( C ) 0.30

Desnivel de la cuenca 105 mts.

Longitud de la cuenca 1.9 km

Intensidad de las lluvias ( I ) 85 mm/h

Coeficiente de rugosidad ( n ) 0.013

2. Calculo de Caudal de diseño Qd (hidrología)

La Pendiente (S) debe estar expresada en m/km

S ¿Desnivelmlongitud km

S ¿105m1.9km

S = 55.26 m/Km

Q = 69.5 * C * I * A0.75 *S0.25

Q = 69.5 * 0.3 * 85 * 3.50.75 *55.260.25

Qd = 12.36 m3sg

3. Calculo de sección hidráulica

Q = V * A

Q = V * B * L

Si: V = 1n

* R2 /3 * S1 /2

Dónde: R = Radio hidráulico de la sección R = AP

A = Área de la sección hidráulica

P = Perímetro mojado

Qd (m3/sg) = 1n

* (AP

¿2 /3 * S1 /2 * A

Para encontrar la sección transversal de la alcantarilla, se calcula el

caudal para diferentes valores de pendiente, altura y ancho de la

alcantarilla, se compara con el caudal calculado hidrológicamente y se

asume el caudal mas aproximado cuidando que el valor de la velocidad

no exceda 3 m/sg y que la altura este entre el 50% y el 80% del ancho en

la sección transversal de la alcantarilla.

Después de iterar se escoge el ancho L = 2.5 m. y S = 0.21%, entonces

se tiene:

Altura de la lamina de agua B = 0.7 * L

B = 0.7 * 2.5 m.

B = 1.75 m

Area hidráulica A = B * L

A = 1.75 * 2.5 m2

A = 4.375 m2

Perímetro mojado P = L + 2*B

P = 2.5 + 2*1.75

P = 6 m.

Radio Hidráulico R = A / P

R = 4.3756

R = 0.729167

Q m3/sg = 1

0.013 * (

4.3756

¿2 /3 * 0.00211 /2 * 4.375

Q m3/sg = 12.49 > 12.36 O.K.

4. Diseño del Cajón.

Se asume 2.5 m de lado de caja.

Para entrar a las tablas de la secretaría de obras públicas del

departamento de Antioquia.se necesita básicamente la sección de la

alcantarilla y la altura del terraplén que va a soportar.

Entonces para 2.5 mts de lado interno y una altura del terraplén de

2.90mts en el eje se tiene:

t = 0.25 m (espesor de muros y losa superior)

t1 = 0.30 (espesor de placa inferior del Box.)

Se calcula las longitudes del box desde el eje a la izquierda (L1) y a la

derecha (L2).

Ancho de carril 5.40 mts

Pendiente del lleno 1:1.5

Altura del lleno (izquierda) 2.55 mts

Altura del lleno (derecha) 3.31

L1 = (2.55 * 1.5) + 5.4

L1 = 9.23 mts

L2 = (3.31 * 1.5) + 5.4

L2 = 10.37 mts.

La longitud total del Box será

LT = L1 + L2

LT = 9.23 + 10.37

LT = 19.6 mts

5. Diseño de las aletas:

De acuerdo con la topografía del terreno, se asume la dirección de las

aletas a 45°. El largo de la aleta depende del lado del cajón, para

L=2.5mts se tiene una longitud F de la aleta de 2.75 mts.

La altura se toma la del box en el extremo adyasante y en la punta, se

asume 2 mts. Que es la recomendada para alcantarillas hasta de 3x3 mts.

El espesor del muro es de 0.25 mts. Para alcantarillas de 2.5 x 2.5 mts.

Ejercicio 2

A la altura del km 15+790 de un canal principal se plantea la necesidad de

eliminar 9 m3/s proveniente de los excesos de lluvia y con la finalidad de

prevenir desbordes del canal, se desea proyectar un aliviadero, si el canal

presenta un borde libre de 0.9 m, se pide: dimensionar hidráulicamente el

aliviadero.

Solución

La solución al problema se presenta en las Figs. 4.10. a, b y c, donde debido a

la situación topográfica se ha proyectado un aliviadero con alcantarilla.

1) Longitud del Aliviadero

Como criterio práctico de diseño asumimos que un 60% del borde libre sería el

valor de h en la fórmula de Weisbach y tomando μ = 0.62 como promedio, se

tiene:

El caudal de 9 m3/seg entra por el aliviadero de 12,50 m de longitud y cae a

una rampa con una inclinación mínima de 5%.

2) Cálculo de H2

El valor de H2ESTIMA ≥ 1.5 Yc, siendo Yc el que ocurre en la sección 2 y si

asumimos en 2 un ancho de rampa b2= 2.0 se tendrá:

q=92=4.5m3/ s

Yc = 1.273m

Entonces:

H2= 1.91 m

El valor de la cota en 2, será: 97.59

3) Cálculo de H1

97.59+Yc2

+H 1=99.50

H 1=1.274

El valor de la cota en 1, será: 99.23

En 1 el ancho de la rampa es: 60% de b2; b1= 1.2 m

4) Pendiente de la rampa

La rampa deberá tener una pendiente ≥ 5%

S=98.23−97.5912.5

=5.12%

El caudal que se está eliminando pasa por el punto 2 y cae a una poza que va

conectada a una alcantarilla.

5) Dimensionamiento de la alcantarilla

Es necesario remarcar que por seguridad, se debe considerar una carga

mínima de 1.5 Va2/2g encima de la alcantarilla hasta el Punto 1, con lo cual se

garantiza la sumergencia y sobre todo, hay más confianza de que no habrá

desborde por la escotadura o aliviadero en el caso imprevisto de un mayor

caudal. Asumiendo una alcantarilla de 1.5 x 1.5, se tiene:

A= 2.25 m2 Va=4 m/s

Con estos datos asumidos se prosigue el cálculo

1.5Va2

2g=1.22m

La altura de energía respecto al fondo de la alcantarilla será:

H2 = 99.50 – 95.506 = 3.994 m

Con ayuda del Plano Topográfico, se establece aproximadamente la cota de

entrega de la alcantarilla y se hace un balance de energía entre este Punto y el

Punto 2.

E2= 99.50 E2 = E3 + Σpérdidas + H2

ESQUEMA PRELIMINAR

Σ Perdidas = Entrada + Fricción + Codos (2 codos)

ΣPerdidas=0.3 Va2

2g+ f L

DxVa2

2g+2[φ ( α90 )

1 /2

XVa2

2 g ]…………A

Va = velocidad de la alcantarilla

f = 0.025, tomando este valor se obtiene buenos resultados

φ=0.25 ∝=22 °

D=4 R=4 ( AP )= 4∗1.5x 1.54 x1.5=1.5

L = 22.6 (se obtiene aproximadamente mediante el esquema tentativo).

Reemplazando valores en (A) se obtiene:

Σ Pérdidas = Va2

2gx0.9238

La ecuación del balance de energía será:

99.50=92.30+Y 3+V 3

2

2 g+Va

2

2gx 0.9238+3.994

Y 3=1.5m

V 3=V a

Luego:

V a=√ 1.706 x19.621.9238

V a=4.17m / seg

Resulta una velocidad ligeramente superior a la de 4 m/seg. asumida debido a

las pérdidas de carga que son necesarias vencer, siendo necesario proyectar al

final de la alcantarilla, un amortiguador del tipo de impacto que garantice una

entrega con flujo lento, evitándose las erosiones y según la Fig. 4.11

corresponde a un amortiguador de W = 4.0 m.

1.4 Amortiguadores del tipo de impacto

La Fig. 4.11 resulta de gran utilidad para dimensionar estos amortiguadores

con caudales hasta de 11.2 m3/s (400 p.c.s) y velocidades iguales o menores a

9.14m/s (30 pies). Estos amortiguadores pueden ser utilizados tanto en canales

abiertos como en tuberías y la disipación es obtenida haciendo chocar el chorro

de llegada contra un deflector vertical suspendido, el mejor funcionamiento es

obtenido, cuando el tirante de la descarga, se aproxima, pero no excede a la

mitad de la altura del deflector, siendo recomendable que el borde inferior del

deflector se coloque al mismo nivel que el fondo del canal o tubo de llegada.

AMORTIGUADORES DEL TIPO DE IMPACTO