HIDROLOGIA Y DRENAJE

El sistema de drenaje es un escudo de protección el cual se debe proveer la estructura de las carreteras contra los efectos erosivos e inundación de las aguas superficiales o subterráneas, para lo cual se propone la construcción de algunos artificios, para la recolección, transporte y descarga segura de las aguas, los que deben ser diseñados técnica y económicamente que justifique la vida útil.

Preservar la estabilidad de la superficie y del cuerpo de la plataforma de la carretera eliminando el exceso de agua superficial y la sub-superficial con las adecuadas obras de drenaje.

El sistema de drenaje de una carretera tiene esencialmente como finalidad:

Los estudios de drenaje de carretera se realizan longitudinal y transversal dependiendo de las dirección de flujo en que se dirigen las aguas, por lo que se debe trabajar vinculadamente con el diseño vial tanto por los niveles de rasante para el desplante de la corona de las estructuras de drenaje, como por cambios de alineación, peraltes de curvas, bombeos, etc.

El principal objetivo del drenaje, es evacuar en el menor tiempo posible las aguas que se precipitan sobre la plataforma de la carretera o que puedan penetrar lateralmente la estructura vial.

Trayectorias del flujo de agua durante una lluvia

Sistema de Drenaje para caminos

Drenaje superficiala) Finalidad del drenaje superficial

El drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas de la carretera para evitar el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y transitabilidad. El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de una carretera y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de la escorrentía a lo largo de éste.El drenaje superficial comprende:•La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.•La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales. •La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados por la carretera.

Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios funcionales, según se menciona a continuación:• Las soluciones técnicas disponibles. • La facilidad de su obtención y así como los costos de construcción y mantenimiento.• Los daños que eventualmente producirían los caudales de agua correspondientes al periodo de retorno, es decir, los máximos del periodo de diseño.Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno y, considerando el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje, se deberá cumplir las siguientes condiciones:• En los elementos de drenaje superficial, la velocidad del agua será tal que no produzca daños por erosión ni por sedimentación

b) Criterios funcionales

CUNETASDefinición.Son canales abiertos construidos lateralmente a lo largo de la carretera, con el propósito de conducir el escurrimiento superficial y sub-superficial procedentes de la plataforma vial, taludes y aéreas adyacentes a fin de proteger la estructura del pavimento. La sección transversal puede ser triangular, trapezoidal, o rectangular.

• Sus dimensiones serán fijadas de acuerdo a los cálculos hidrológicos realizados sobre el área de drenaje delimitada, pendiente longitudinal, generalmente paralela a la de la corona de la carretera, intensidad de lluvia de la zona para un tiempo de retorno previamente establecido, con esa información y calculo se obtendrá el caudal pico de diseño y las dimensiones de la estructura a construir. Ver detalles de dimensiones mínimas indicadas.

cuadro dimensiones mínimas de las cunetas

Detalle de Cunetas

Punto de desagüe:

Se limitara la longitud de las cunetas desaguándolas en los causes naturales del terreno, obras de drenaje transversal o proyectando desagües donde no existan.

Tipos de cunetas

Cuneta de borde.

Son canales longitudinales que sirve para recoger y eliminar rápidamente el agua que cae sobre la superficie de rodadura y que va a ellas debido a su pendiente transversal, su función es trascendental para su conservación; el enemigo mayor del pavimento de cualquier clase es el agua, al proyectar una carretera hay que cuidar con todo esmero su recojo y eliminación.

La cuneta debe cumplir su función de recojo y eliminación rápida de las aguas de la superficie de rodadura sin constituir un peligro para la circulación

Cunetas de coronación

Son cunetas que interceptan el agua que corre por los taludes y la desvían evitando llegue a la carretera. Se emplean estas cunetas cuando los puntos altos de los cortes son erosionables; se ubican en la parte superior.

Área aferente a las cunetas

Bordillos de seguridad en cunetas

cuneta de protección

Son cunetas que se ubican al pie de los terraplenes, que evitan que el agua acumulada en ellas, pueda contaminar por capilaridad, la obra de tierra de esta forma impide la destrucción de la base.

La localización de las cunetas no ofrece ningún problema especial, pues evidente. La forma de ellas depende de la cantidad de agua que escurre y del ancho de la carretera, y sus dimensiones dependen del escurrimiento.

Contra cunetas:

La función de las contra cunetas es prevenir que llegue al camino un exceso de agua o humedad, aunque la practica ha demostrado que en muchos casos no es conveniente usarlas, debido a que como se construyen en la parte aguas arriba de los taludes, provocan reblandecimientos y derrumbes.Si son necesarias, deberá, estudiarse muy bien la naturaleza geológica del lugar donde se van ha construir, alejándolas lo mas posible de los taludes y en algunos casos para evitar filtraciones.

La inclinación de talud dependerá, por condición de seguridad, de la velocidad y volumen de diseño de carretera o camino. El valor máximo correspondiente a la velocidad de diseño Km\h es aplicable solamente en casos muy especiales, en los que se necesite imprescindiblemente en una sección de corte reducida – terrenos escarpados- la que contara con el elemento de protección –guardavías-. Inclinaciones fuera de estos mínimos deberán ser justificados convenientemente y se dispondrán de los elementos de protección adecuados

TALUD INTERIOR DE CUNETAS.

El ancho del fondo será función de la capacidad que quiera conferírsele a la cuneta .

Eventualmente, puede aumentársele si se requiere espacio para almacenamiento de nieve o de seguridad para caída de rocas. En tal caso, la cuneta puede presentar un fondo inferior para el agua y una plataforma al lado del corte a una cota algo superior, para los fines mencionados. Longitudinalmente, el fondo de la cuneta deberá ser continuo, sin puntos bajos.

Las pendientes longitudinales mínimas absolutas serán 0.2%, para cunetas revestidas y 0.5% para cunetas sin revestir.

profundidad de cuneta

Si la cuneta es de material fácilmente erosionable y se proyecta con una pendiente tal que le infiere al flujo una velocidad mayor a la máxima permisible del material constituyente, se protegerá con un revestimiento resistente a la erosión.

Revestimiento.

la velocidad de las aguas debe limitar a erosión, sin reducirla tanto que pueda dar lugar a sedimentación. La velocidad mínima aconsejada es de 0.25 m\s las máximas admisibles se indican a continuación.

velocidad admisible

Protecciones: empedrados

De no ser posible desaguar la cuneta en una corriente, el flujo que viene concentrado por la cuneta se debe distribuir y entregar al terreno natural gradualmente mediante superficies tales como empedrados

Empedrado entregando cunetas a terreno natural

DRENAJE SUBTERRÁNEO

El drenaje subterráneo o sub-drenaje, se proyectará para eliminar el exceso de agua del suelo a fin de garantizar la estabilidad de la plataforma y de los taludes de la carretera. Sus funciones serán alguna o varias de las siguientes: a. Interceptar los flujos subterráneos y desviarlos antes de que lleguen al lecho de la carretera. b. Hacer descender el nivel freático a fin de disminuir las presiones de poros o impedir que aumenten.

Tierra compactada

Zona deescurrimiento

15 cms

15 c

ms

Materialpermeable(filtrante,apisonado)

15 c

ms

CunetaSub-rasante

Tubo de 15 cms. perforadoen la parte inferior

Subdrenaje y sub-base permeable

Zona impermeable

Balasto

Grava o piedrín

Canales de salida

Los canales de salida son las estructuras hidráulicas encargadas de transportar el agua recogida por las cunetas, alcantarillas y contra cunetas a un destino final, como un río o cualquier otro cuerpo de agua. Son de diversos tipos, pueden estar revestidos o sin revestir, exponiendo su área hidráulica a la erosión cuando las pendientes son altas y el agua transita a alta velocidad.Los canales de salida deben ajustarse lo mejor posible a la topografía del terreno. Su principal enemigo es la erosión, especialmente para aquellos canales que no tienen ningún tipo de revestimiento. Otro de los problemas que presentan es la acumulación y crecimiento de malezas por causa del descuido en su mantenimiento.

ALCANTARILLAS

ALCANTARILLASLas alcantarillas son conductos que pueden ser 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 entrada como a la salida. Las alcantarillas deben clasificarse principalmente desde el punto de vista de su ubicación. Capacidad (diseño hidráulico) y resistencia (diseño estructural).

Son obras de Arte de drenaje transversal.

Tienen por finalidad permitir que el agua pueda pasar de un lado a otro de la carretera.

Deben resistir el peso del relleno, así como, las cargas derivadas del tráfico.

ALCANTARILLAS

Las alcantarillas pueden tener forma circular, rectangular o elíptica.Estarán ubicadas en todas las quebradas, en los desagües de las cunetas y en todas las partes bajas de la carretera.

Localización : Las alcantarillas están compuestas por las estructuras de entrada y salida, el conducto o tubería de cruce propiamente dicho y las obras complementarias de encoles y descoles que conducen el agua hacia o desde la alcantarilla, respectivamente.

Las alcantarillas de sección cuadrada o rectangular se fabrican de concreto armado, las de forma circular se hacen con tubos de concreto o de acero corrugado. Las secciones elípticas se fabrican, por lo general, con planchas de hierro corrugado y las recomendaciones técnicas son las siguientes

2 D

1/4

D =

20 c

ms

D60

cm

s.

min

imo

BALASTOESPESOR 15 A 20 CMS

MATERIAL CLASIFICADO

CAMA DE MATERIALGRANULAR SELECTO

1/2 D

D

Los cabezales: son muros que se construyen a la entrada y la salida de las alcantarillas, para cumplir con las siguientes funciones:•Evitar la erosión alrededor de la misma.•Evitar los movimientos horizontales y verticales de los tubos.•Guiar la corriente.•Permitir un mayor ancho de la vía y por ende, ofrecer mayor seguridad para el conductor.

Alcantarilla

Cabezal

Cabezal

El alineamiento del cabezal no está deacuerdo con la vía. Forma incorrecta.

Alcantarilla

Cabezal

Cabezal

El alineamiento del cabezal es paraleloal eje de la vía. Forma correcta.

L

X

ELEVACION DEL FRENTEELEVACION DEL EXTREMO

En mampostería

PLANTAELEVACION DEL FRENTE

Cabezal Típico de Alcantarilla

Consideraciones técnicas: Para garantizar un buen funcionamiento de los cabezales y garantizar una mayor vida útil de los mismos, deberán seguirse las siguientes consideraciones técnicas:

•Las dimensiones de los cabezales deben ser tales que impidan el deslizamiento de los taludes inmediatos hacia el canal de la corriente.

•Los cabezales pueden ser construidos de concreto reforzado, de mampostería o de concreto ciclópeo, entre otros.

Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salida.

Tipo I. Salida sumergida.

La carga hidráulica H*, a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante Yt, a la salida, es mayor D, en este caso la alcantarilla es llena:Luego:H*>DYt>DAlcantarilla llena.

Tipo IV. Salida no sumergida

H<H*Yt>YcFlujo subcritico en la alcantarilla.

Tipo V. Salida no sumergida.

H<H*Yt<YcFlujo subcritico en la alcantarilla.Flujo supercrítico en la salida.

Localización del eje.

Cálculo del área hidráulica necesaria.

Cálculo de la sección, pendiente y rasante de fondo.

Cálculo de la longitud de la alcantarilla.

Estudio del tipo económico conveniente.

Ejecución del proyecto.

El diseño de la alcantarilla consiste en determinar el diámetro más económico que permita pasar el caudal de diseño sin exceder la carga máxima a la entrada. atendiendo también criterios de arrastre de sedimentos y de facilidad de mantenimiento y para eso demos de:

DISEÑO DE ALCANTARILLAS

1. El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25m/s, en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde esta será construida, solo en casos especiales la velocidad será mayor a 1.25m/s.

2. La cota de fondo de la alcantarilla es 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 este fluye lleno o el 20 por ciento del tirante en la alcantarilla.

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

4. El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60m y para cruces con la panamericana es de 0.9m.

5. La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos, se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima 4:1

CRITERIOS DE DISEÑO

Tipos de Alcantarillas según el material.

Alcantarillas de Tubo.

Alcantarillas de Cajón o de Marco.

Alcantarilla de Bóveda.

Alcantarillas de Losa.

Alcantarillas Circulares Metálicas.

Tipos de Alcantarillas por su capacidad.

Alcantarillas de un tubo.

Alcantarillas de 2 Tubos.

Alcantarillas de 2 Ojos.

Alcantarillas de 3 Ojos.

TIPOS DE ALCANTARILLAS

Factores que determinan su elección: Caudal o cantidad de agua que le llega. El suelo de la cimentación. Economía. Material del que esta hecho la alcantarilla.

SELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA

Punto de ubicación de la alcantarilla. Longitud de la alcantarilla. Mantener la dirección de la corriente de agua. Diámetro de los tubos de acuerdo con el caudal de diseño. Ancho adecuado de zanja Usar pendientes en las alcantarillas de un 2% a un 3%. Agregar mortero a las juntas de los tubos, si la tubería es de

concreto.

Para la construcción de alcantarillas, es necesario tomar en cuenta los siguientes aspectos:

ASPECTOS A CONSIDERAR DURANTE LA ETAPA DE CONSTRUCCIÓN DE ALCANTARILLAS

DETALLE DE LECHOS DE ALCANTARILLAS

DETALLE DE ENTRADA DE ALCANTARILLA

DETALLE DE MUROS CABECEROS DE ENTRADA Y SALIDA DE ALCANTARILLAS CIRCULARES

LIMPIEZA DE ALCANTARILLAS

Consiste en la eliminación de todo tipo de material o residuo que obstruya el libre paso del agua a través de la alcantarilla, permitiendo de este modo el mantenimiento de un buen drenaje y, por consiguiente, la preservación del camino. Igualmente, se deberá efectuar la limpieza y encauzamiento, de los cursos de agua, tanto al ingreso, como a la salida de la misma.

Alcantarillas y Canales

Huamachuco

Las Bambas

EJEMPLO DE APLICACIÓN.

Minera Ares

Minera Ares

Las Bambas

1. Usar sub-drenajes prolonga la vida útil de los pavimentos.

2. La Base es la estructura básica que se requiere proteger y por lo tanto drenar.

3. Usar un mal sistema de sub -drenaje es peor que no tenerlo(Efecto de Presa).

4. El daño más común en un sistema de sub-drenaje es el daño por compresión de su estructura.

5. Entre mejor estructura tenga el producto ya instalado, mejor será su desempeño al drenar.

Conclusiones

GEOMALLAS

GeomallasMejoramiento de Sub-rasantes blandas y Refuerzo de Base

Introducción:La utilización adecuada de nuevas tecnologías que permitan un mejor desempeño de las estructuras de pavimento e incrementen su vida útil, resulta importante para el diseño de nuevas vías y el mantenimiento de las existentes.

Geomallas biaxiales BX

Geomallas uniaxiales UX

Geomallas multiaxialesTRIAX

Objetivo :El objetivo de este artículo es inducir a la comunidad de ingenieros a usar las herramientas técnicas y científicas con que se cuenta hoy en día para el adecuado uso de Geosintéticos en cada una de las aplicaciones mencionadas. Funciones y Tipos de Geomallas y Geotextiles .

EMPLEO DE GEOTEXTILES PARA SEPARACIÓNSobre sub-rasantes blandas y finas se suelen colocar geotextiles para impedir que el suelo contamine las capas granulares del pavimento.

EMPLEO DE GEOMALLAS PARA REFUERZOCuando se desea reducir la magnitud de los esfuerzosverticales sobre la subrasante, una opción consiste en lacolocación de geomallas.

• Mayor Distribución de Carga• Menor Estado de Carga en la Subrasante

Mecanismos de Refuerzo

Presión Vertical sin Geomalla BX/TX

Presión Vertical con Geomalla BX/TX

Sin Reforzar Reforzado

REFUERZO DE VIAS NO PAVIMENTADAS

REFUERZO DE VIAS PAVIMENTADAS

Aplicaciones

Superficie de falla con refuerzo

Superficie de falla sin refuerzo

1. MEJORAMIENTO DE CAPACIDAD PORTANTE

Geomallas: Mecanismos de Refuerzo

EFECTO DE LA GEOMALLA SOBRE EL SUELO DE SUBRASANTE

Mejoramiento de Sub rasantesCOSTOS

OBRAS EN PERÚ

PUENTES

DEFINICION DE PUENTE: Un puente es una obra de infraestructura que se construye para salvar un obstáculo con la finalidad de dar continuidad a una vía. Generalmente soportan un camino, una carretera o una vía férrea, pero también puede transportar tuberías y líneas de distribución de energía.

Atendiendo a la función primordial que cumplen.

Acueductos. Puentes que conducen agua.

Viaductos. Puentes destinados al paso de vehículos.

Pasarelas. Puentes pensados para el uso exclusivo de peatones.

PARTES DE UN PUENTEConstan fundamentalmente de dos partes:

a) La superestructura conformada por: tablero que soporta directamente las cargas; vigas, armaduras, cables, bóvedas, arcos, quienes transmiten las cargas del tablero a los apoyos.

b) La infraestructura conformada por: pilares (apoyos centrales); estribos (apoyos extremos) que soportan directamente la superestructura; y cimientos, encargados de transmitir al terreno los esfuerzos.

SUPERESTRUCTURA

INFRAESTRUCTURA INFRAESTRUCTURA

CLASIFICACION• SEGÚN SU FUNCION

CARRETEROS

PEATONALESFERROVIARIOS

CLASIFICACION• POR SUS MATERIALES DE CONSTRUCCION

CONCRETO ARMADO

MADERA MAMPOSTERIA ACERO ESTRUCTURAL

SECCION COMPUESTA CONCRETO PRESFORZADO

SIMPLEMENTEAPOYADOS

CONTINUOS

SIMPLEMENTE

APOYADOS – TRAMOS

MULTIPLES

CLASIFICACION

• POR EL TIPO DE ESTRUCTURA

CANTILIVER

EN ARCO

ATIRANTADO

CLASIFICACION• POR EL TIPO DE ESTRUCTURA

a) Sobre tablero. b) Bajo tablero. 

COLGANTES

ALCANTARILLAS

GIRATORIOS

CLASIFICACION• POR EL TIPO DE ESTRUCTURA

RECTOS

ESVIADOS

CURVOS

CLASIFICACION

• POR SU UBICACIÓN EN LA VIA

LOCALIZACION DEL PUENTE

INGENIERIA BASICA

ESTUDIO TOPOGRAFICO

ESTUDIO HIDROLOGICO

ESTUDIO HIDRAULICO

ESTUDIO GEOTECNICO

IMPACTO AMBIENTAL

DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA

DISEÑO DE LA SUBESTRUCTURA

DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCION EN EL RIO

PLANOS Y ESPECIFICACIONES

TECNICAS

(EXPEDIENTE TECNICO)

ESTUIDO DE TRAFICO (IMD)

ESTUIDO DE DISPONIBILIDAD DE

RECURSOS

PERIODO DE DISEÑO

ESPECIFICACIONES GENERALES

ANCHO CAPACIDAD DE CARGA

VOLUMEN DE TRAFICO MATERIAL

ETAPA DE PLANEAMIENTO

ETAPA DE DISEÑO

PROCESO DE DISEÑO

• Pontones.- Llámense así las obras de luces comprendidas entre 3 y 10 metros.