Drenaje Vial 2014-2015

DRENAJE VIAL

1

DRENAJE DE OBRAS

FACULTAD DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA CIVILESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

DRENAJE DE OBRAS VIALES

ING CRISTIAN COELLO MScING CRISTIAN COELLO MSc

Sep 2014 Sep 2014 Feb 2015Feb 2015

Drenaje vialContenido del Programa Obras de Arte Menor: Drenaje Longitudinal Obras de Arte Menor: Drenaje Longitudinal

Conceptos GeneralesCunetas longitudinales: DiseoCunetas de Coronacin: DiseoSubdrenajeRecomendaciones generales y normas de diseo

DRENAJE VIAL

2

Drenaje vialContenido del Programa Obras de Arte Menor: Drenaje Transversal Obras de Arte Menor: Drenaje Transversal

Consideraciones de diseoAlcantarillasCalculo Hidrulico de drenaje trasversalCondiciones de entrada y salidaEstructuras y muros de alaNormas de Diseo de drenaje Trasversal

Drenaje vialContenido del Programa Obras de Arte Menor: Caudal de Diseo Obras de Arte Menor: Caudal de Diseo

Conceptos generales Periodos de retorno a considerar en el clculo de

caudales Definicin de cuencas aportantesMtodo Racional para clculo de caudales mximos Consideraciones del mtodo: Intensidad, Tiempo de

concentracin, coeficiente de escorrenta. Zonificacin de intensidades del INAMHI

DRENAJE VIAL

3

Drenaje vialContenido del Programa Obras de Arte Mayor: Puentes Obras de Arte Mayor: Puentes

Hidrologa Conceptos generales Periodos de retorno a considerar en el clculo de caudales Anlisis de precipitaciones Curvas IDF Definicin de cuencas aportantes: Nmero de Curva CN Definicin de cuencas aportantes: Nmero de Curva CN Mtodo SCS e hidrograma de Clark para clculo de caudales mximos Hidrograma Triangular SCS Hidrograma de Clark: Mtodo de las iscronas Modelizacin Hidrolgica en HMS y clculo de caudales de diseo

Drenaje vialContenido del Programa Obras de Arte Mayor: Puentes Obras de Arte Mayor: Puentes

Hidrulica de Puentes

Conceptos generales Informacin requerida para el estudio: Topografa, suelos Modelo hidrulico HEC RAS Parmetros de diseo: Coeficiente de Manning (n), flujo Parmetros de diseo: Coeficiente de Manning (n), flujo

gradualmente variado Estudio de socavacin general: Mtodos recomendados

DRENAJE VIAL

4

Drenaje vialContenido del Programa Trabajos Trabajos

Anlisis de Precipitaciones mximas Calculo de caudales por el Mtodo Racional Clculo de caudales transversales en cunetas Clculo hidrulico de alcantarillas y cunetas Calculo de caudales por el mtodo SCS (Numero de Curva) Aplicacin de HEC RAS para puentes * Diseo general del sistema de drenaje vial. Calculo de socavacin general de un ro.

Bibliografa Recomendada INAMHI 1999.- Estudio de Lluvias Intensas. Departamento de Hidrometra.

Quito Ecuador.

G C O (Q Normas de Diseo Geomtrico de Carreteras, 2003. MTOP (Quito-Ecuador).

Chow, V.T.; Maidment, D.; Mays L., Hidrologa Aplicada., McGraw-Hill Interamericana S. A., 1994.

Chow, Ven Te Hidrulica de Canales Abiertos, McGraw-Hill, 1994

Soil Conservation Service (SCS),National Engineering Handbook: Section4 H d l (NEH 4) U it d St t D t t f A i lt (USDA)4,Hydrology, (NEH-4), United States Department of Agriculture (USDA), 1985.

French, Richard H., Hidrulica de Canales Abiertos, McGraw-Hill, 1988.

U.S. Army Corps of Engineers, HEC-RAS River Analysis System, UsersManual",Hydrologic Engineering Center, 1995.

DRENAJE VIAL

5

Objetivos Generales Conocer las partes constitutivas del sistema de drenaje

vial. Disear cada componente aplicando los criterios

establecidos en nuestro medio. Obtener caudales de diseo a partir de los mtodos

aprobados por el MTOP: Mtodo Racional y SCS. Aplicar correctamente los criterios de diseo y reconocer

el requerimiento de los diferentes componentes dele eque e to de os d e e tes co po e tes desistema.

Aplicar modelos computacionales en el diseo dedrenaje vial (SIG *, HEC HMS, HEC RAS)

Estructura de una Carretera

DRENAJE VIAL

6

Drenaje vialFinalidad de las estructuras de drenaje

a) Desalojar rpidamente el agua de lluvia quecae sobre la calzada;

b) Controlar el nivel fretico; c) Interceptar al agua que superficial o

subterrneamente escurre hacia la carretera; ysubterrneamente escurre hacia la carretera; y, d) Conducir de forma controlada el agua que

cruza la va.

Drenaje Longitudinal El drenaje longitudinal comprende las obras de

captacin y defensa, cuya ubicacin ser necesariosestablecer, calculando el rea hidrulica requerida,seccin, longitud, pendiente y nivelacin del fondo, yseleccionando el tipo de proyecto constructivo.

DRENAJE VIAL

7

Drenaje TrasversalEn el proyecto vial el drenaje transversales tan importante como el clculohid li l i i di thidrulico, la posicin, pendiente yseccin de la obra y sus entradas ysalidas, de manera que se altere lomenos posible el cauce original.

La posicin de las obras de desagel d b dif i ltransversal debe diferir lo menos

posible del cauce original y tener unatraza ms o menos recta. Por otraparte, su pendiente debe evitar quese supere una velocidad capaz deerosionar o daar la superficie delpropio conducto

DL : Cunetas

Son canales que se construyen,en las zonas de corte, a uno o a,ambos lados de una carretera,con el propsito de interceptar elagua de lluvia que escurre de lacorona de la va, del talud delcorte y de pequeas reasadyacentes, para conducirla a undrenaje natural a una obradrenaje natural a una obratransversal, con la finalidad dealejarla rpidamente de la zonaque ocupa la carretera.

DRENAJE VIAL

8

Cunetas

Localizacin, pendiente y velocidad

La cuneta se localizar entre el espaldn de la carreteray el pie del talud del corte. La pendiente ser similar aly p pperfil longitudinal de la va, con un valor mnimo del0.50% y un valor mximo que estar limitado por lavelocidad del agua la misma que condicionar lanecesidad de revestimiento.

Material Velocidad (m/s) Material Velocidad (m/s)Arena Fina 0,45 Pizarra suave 2,00

Arcilla Arenosa 0,50 Tepetate 2,00Arcilla Ordinaria 0,85 Grava Gruesa 3,50

Arcilla Firme 1,25 Zampeado 3,40-4,50Grava Fina 2,00 Concreto 4,50-7,50

DRENAJE VIAL

9

Forma

La cunetas pueden ser triangulares, trapezoidales yrectangulares. Recomendndose la triangular por sug g pseguridad y facilidad de mantenimiento.

0.60

0.60

Triangular

0.45

Rectangular

0.40

0.40

0.50

Trapezoidal

0.35

0.25

Semicircular(1/2 tubo de 20")

0.50

Diseo de cunetas

El rea hidrulica de una cuneta se determinar conbase al caudal mximo de diseo, a la seccintransversal, a la longitud, a la pendiente y a la velocidad.

El periodo de retorno para el diseo de las cunetasdepende del tipo de proyecto vial, sin embargo serecomienda realizar el calculo para un periodo deretorno de 100aos MTOP = 25 aos en carreterasretorno de 100aos. MTOP = 25 aos en carreteras

La precipitacin de diseo se considera de 20 a 30 minde duracin para la condicin mas desfavorable.

DRENAJE VIAL

10

Diseo de cunetas Se calcula en base a las ecuaciones fundamentales de la hidrulica,

ecuacin de Manning para canales.

Q = Caudal (m/s)

Henderson establece ecuaciones para la relacin precipitacinescorrenta den superficies planas con pendiente trasversal.

n = RugosidadA = Area (m)R = Radio hidrulico rea/Permetro mojado

Longitud Mxima Se deber determinar la longitud mxima permisible de

la cuneta, a fin de asegurar su funcionamiento eficientey evitar, al mismo tiempo, que: (a) el nivel de aguarebase la seccin y (b) se produzcan depsitos (azolves)en los tramos en que ocurren cambios de la pendientelongitudinal.

El sistema de drenaje vial es un conjunto de obras dedescarga, cuando las cunetas presentan longitudes muygrandes se debe evacuar el flujo de la misma a partir deobras de drenaje trasversal que conduzca el agua haciaun curso natural.

DRENAJE VIAL

11

Consideraciones especiales El revestimiento para proteger la cuneta podr ser: zampeado de

piedra y mortero (hormign ciclpeo) , suelo-cemento, mezclaasfltica u hormign y su seleccin depender de la velocidad delagua.

Es importante la relacin de niveles entre la lmina de agua en lacuneta y las capas de pavimento. La funcin drenante de la baserequiere que el nivel de la lmina de agua en la cuneta quede pordebajo de la superficie inferior de la base

Ejercicios Calcular el caudal que circula por una cuneta triangular revestida de

hormign con una inclinacin lateral 4:1, siendo la profundidad de la misma de 0.16m. La pendiente de la carretera es del 8%. (n=0.014)

Que altura alcanzar un caudal de 25 l/s en una cuneta triangularrevestida de hormign, si la inclinacin a cada lado es de 3.5:1(H:V) y una pendiente longitudinal de 0,54%.

Calcular el caudal unitario y total escurrido por la calzada de una vade 7.6m de ancho y 350m de longitud hacia las cunetas revestidasde H, si la pendiente transversal de la va es 0.5%. La intensidadde la precipitacin para 25 aos estimada es de 86.5mm/h.de la precipitacin para 25 aos estimada es de 86.5mm/h.

Determine el caudal mximo y velocidad que circula por una cunetaque tiene la siguiente geometra, para pendientes desde 1% hasta13%.

DRENAJE VIAL

12

DL: Cunetas de Coronacin Las cunetas o zanjas de coronacin son canales que se

construyen para desviar el agua que se escurre sobre lasuperficie y consecuentemente para evitar la erosin delsuperficie y consecuentemente para evitar la erosin delterreno, especialmente en zonas de mucha pendiente odonde se ha efectuado el corte del terreno para lainstalacin de alguna estructura

CL

Contracuneta

Material producto dela excavacin de la

Terreno natural

S= 2 - 6 %

Cunetarasante

la excavacin de lacontracuneta

sub-base

Forma y caractersticas Normalmente son de forma rectangular, pero tambin

pueden ser trapezoidales, si se requiere un mayorp p q ytamao.

Deben estar ubicadas en la parte superior del corte delterreno o alrededor de la estructura, en forma circular orecta (transversal a la escorrenta),segn sea necesario.

Es importante sembrar especies nativas a ambos ladosde la cuneta para evitar que el agua erosione bajo lade la cuneta para evitar que el agua erosione bajo lacuneta y sta se azolve con sedimentos.

Si la pendiente es mayor que 2 % ,es necesario que elcanal tenga recubrimiento de concreto simple oenrocado.

DRENAJE VIAL

13

Forma y caractersticas El desarrollo de la contra cuneta deber ser

sensiblemente paralelo al propio corte; en lo posible, lapendiente tambin deber ser uniforme desde el origenpendiente tambin deber ser uniforme desde el origenhasta el desfogue.

Cuando la pendiente es muy fuerte, la descarga debeser diseada con una rampa protegida

Diseo de Cunetas de Coronacin

La seccin del canal estar definida por su capacidadhidrulica, que depender de la frecuencia e intensidadq pde la precipitacin pluvial en la zona, del rea y de lascaractersticas hidrulicas de la zona drenada. Loscriterios que se aplican para determinar el caudal dediseo esperado son los mismos utilizados para el casode cunetas.

En contracunetas no revestidas el talud de aguas arribadeber ser ms tendido para evitar la erosin, pero estarecomendacin se hace innecesaria cuando se utilizanrevestimientos.

DRENAJE VIAL

14

DL: Subdrenes Longitudinales Abatimiento de un nivel fretico. Eliminacin de aguas de filtracin. Derivacin de fuentes de agua situadas debajo de la subrasante.

Drenaje Profundo o sub dren El objetivo del drenaje profundo es controlar la

posicin del nivel fretico respecto del nivel de laestructura vial disminuir la presin de porosestructura vial, disminuir la presin de poros.

El subdren puede iniciar en cualquier punto pero terminara en un punto de descarga generalmente alcantarilla o ro

DRENAJE VIAL

15

Caractersticas Zanjas excavadas a mano o maquina, rellenas de material

filtrante y elementos de captacin y transporte del agua.1. Con material de filtro y tubo colector1. Con material de filtro y tubo colector2. Con material grueso permeable sin tubo (filtro francs)3.Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector.4. Con geotextil, material grueso y sin tubo.5. Tubo colector con capa gruesa de geotextil6. Dren sinttico con geomalla, geotextil y tubo colector

Depende de: 1. Disponibilidad de materiales en la regin y costos. 2. Necesidad de captacin y caudal del dren.

Curvas GranulomtricasEs necesario conocer las caractersticas del material natural del suelo y determinar unas caractersticas apropiadas del material para el filtro

Importante

D10D15D50D60D60D85

DRENAJE VIAL

16

Criterios de Diseo Material de Filtro: Requisitos de granulometra

comparados con el suelo

D15F/D85S relacin: mayor a 4 < 9

Adicionalmente se debe cumplir los limitesD15F/D15S < 40D15F/D15S 40 D50F/D50S < 25Porcentaje que pasa la malla 200 < 5%, curva totalmente heterognea.

Criterios de Diseo Criterio de Permeabilidad (Therzaghi y Peck):

D15 /D15 > 4 (en USA limite 5)D15F/D15S 4 (en USA limite 5)

Adicionalmente se debe cumplir los limites

D60F/D10F < 20 (coeficiente de uniformidad) F F ( )y el tamao mximo de partcula no debe ser mayor de 75 milmetros.

DRENAJE VIAL

17

Criterios de Diseo Tubera Colectora: U. S Army Corps of Engineers

(1955)

Tubos circulares

D85F / > 1Tubos rectangularesD85F / Ancho > 1.2

El criterio utilizado por U.S. Bureau of Reclamation(1973) es el siguiente:D85 del filtro junto al orificio / ancho 2

Filtro de Geotextil Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construidas

con fibras sintticas, especialmente polipropileno, poliester,nylon y polietileno. Los geotextiles generalmente, seclasifican en tejidos y no tejidosclasifican en tejidos y no tejidos

095 < BD 85 B = 1 Para Cu 2 > 8 B = 0.5 Cu para 2 < Cu < 4 B = 8 / Cu Para 4 < Cu < 8

Donde: 095 = Tamao de la abertura medida del geotextil a la cual el

95% del peso de partculas esfricas de vidrio es retenido. D 85 = Dimetro de tamiz en mm. que permite el paso del 85%

en peso del suelo. Cu = D60 / D10 Coeficiente de uniformidad del suelo.

DRENAJE VIAL

18

Criterio de Permeabilidad del geotextil Para condiciones de flujo estable o flujo laminar y suelos

no dispersivos, con porcentajes de finos no mayores al 50%50%.

Kg > Ks

Donde:Kg : Permeabilidad del geotextil.

Ks : Permeabilidad del suelo.

Para condiciones de flujo crtico, altos gradientes hidrulico, suelos finos.

Kg > 10 * Ks

Caudal mximo que puede trasportar la tubera

DRENAJE VIAL

19

Materiales filtro recomendado en varios pases.

Diseo de Subdrenajes El diseo de subdrenes de zanja tiene por objeto

determinar los siguientes elementos:

a. Profundidad y ancho de la zanja b. Espaciamiento entre zanjas c. Localizacin en planta de los subdrenes d. Material filtrante y especificaciones e. Clculo de caudales colectados (QNF + QINF) f. Sistemas de recoleccin y entrega

El diseo se basa en el conocimiento previo delespecialista, conjuntamente con un estudio geotcnicoque incluye ensayos de Permeabilidad del suelo.

DRENAJE VIAL

20

Diseo de Subdrenajes Caudales (QNF + QINF)

Q El caudal generado por la infiltracin de agua lluvia: el agua QINF El caudal generado por la infiltracin de agua lluvia: el agualluvia cae directamente en la carpeta del pavimento. Una partede sta inevitablemente se infiltra en la estructura del pavimentodebido a que las carpetas de pavimento, tanto rgidos comoflexibles, no son impermeables.

QNF En sitios donde se encuentre nivel fretico a una altura tal,f t l t t d l i t i b ti tque afecte la estructura del pavimento, es necesario abatir este

nivel de manera que no genere inconvenientes por excesos deagua.


Q I * B * L * Fi * FRQINF = IR* B * L * Fi * FRDonde:IR: Precipitacin mxima horaria de frecuencia anual, registrada

en la zona del proyecto. A partir de las curvas IDF.B: Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la va.L: Longitud del tramo de drenaje.Fi : Factor de infiltracin. Fi Asfalto 0.3-0.5; Fi concreto 0.67FR: Factor de retencin de la capa granular, refleja el hecho que

la capa granular, dada su permeabilidad, entrega lentamente el agua al subdren FR: 0.25 - 0.5

DRENAJE VIAL

21

CURVAS IDF Relacin entre la intensidad de precipitacin, su duracin y la

frecuencia con la que se observa. Obtenida a travs de Anlisis estadstico, para precipitaciones

i bdi imximas subdiarias

Precipitaciones Mximas por intervalos de tiempo (mm)

Huagrahuma Duracin (h)Fecha 1 2 4 6 8 12 24

10/06/2001 4.60 8.40 14.80 22.00 28.00 31.20 52.220/06/2002 4.40 7.20 11.40 16.60 19.80 24.80 39.212/05/2003 26.40 27.00 27.40 29.20 35.60 38.40 46.803/06/2004 4 00 7 20 13 00 17 00 20 20 28 40 52 603/06/2004 4.00 7.20 13.00 17.00 20.20 28.40 52.629/06/2005 7.40 11.80 17.80 22.00 24.60 28.60 35.827/04/2006 5.60 9.60 15.20 19.00 22.80 27.60 33.412/08/2007 5.20 10.00 17.20 22.80 29.80 38.00 60.631/08/2008 4.20 6.20 9.80 13.00 17.20 24.00 34.411/06/2009 7.20 13.20 20.60 23.60 26.80 32.20 33.622/02/2010 24.60 26.00 30.60 31.40 31.40 32.60 33.812/07/2011 4.80 6.60 12.00 17.40 23.00 33.20 50.6

CURVAS IDFIntensidades mximas horarias (mm/h)

Huagrahuma Duracin (h)Fecha 1 2 4 6 8 12 24

10/06/2001 4.6 4.20 3.70 3.67 3.50 2.60 2.1820/06/2002 4 4 3 60 2 85 2 77 2 48 2 07 1 6320/06/2002 4.4 3.60 2.85 2.77 2.48 2.07 1.6312/05/2003 26.4 13.50 6.85 4.87 4.45 3.20 1.9503/06/2004 4 3.60 3.25 2.83 2.53 2.37 2.1929/06/2005 7.4 5.90 4.45 3.67 3.08 2.38 1.4927/04/2006 5.6 4.80 3.80 3.17 2.85 2.30 1.3912/08/2007 5.2 5.00 4.30 3.80 3.73 3.17 2.5331/08/2008 4.2 3.10 2.45 2.17 2.15 2.00 1.4311/06/2009 7.2 6.60 5.15 3.93 3.35 2.68 1.4022/02/2010 24.6 13.00 7.65 5.23 3.93 2.72 1.4112/07/2011 4.8 3.30 3.00 2.90 2.88 2.77 2.11

GumbellMedia 7 9 5 6 4 1 3 4 3 0 2 5 1 8Media 7.9 5.6 4.1 3.4 3.0 2.5 1.8

Desv estandar 7.1 3.3 1.6 1.0 0.8 0.5 0.4U 4.7 4.1 3.4 3.0 2.7 2.2 1.7 0.182 0.389 0.820 1.310 1.707 2.643 3.291

Funcin de distribucin obtenida luego de anlisis de bondad de Ajuste Kolmogorov Smirnov y R2

DRENAJE VIAL

22

CURVAS IDF


QNF = K * i * AoNFi = (Nd- Nf) / (B)Ao= (Nd- Nf) * L

Donde: K: Coeficiente de permeabilidad de suelo adyacente (cm/s).

i: Gradiente hidrulico.Nd: Cota inferior del subdren.

Nf: Cota superior del nivel fretico. Ao: rea efectiva para el caso de abatimiento del nivel fretico.B: Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la va.

L: Longitud del tramo de drenaje.

DRENAJE VIAL

23

Ejercicio Se requiere disear los subdrenes para una va ubicada en la

zona andina. El sector en consideracin presenta una longitudde 250m y 1.5% de pendiente, el ancho de la va es de 15

t L i i d l i l f ti 0 20 ti d l i lmetros. La posicin del nivel fretico es 0.20 m a partir del niveloriginal. En el diseo de la estructura de pavimento seestableci que se excavar 0.70 m y se reemplazar pormateriales seleccionados. El material de subrasante presentalas siguientes caractersticas:

Ejercicio Clasificacin U.S.C.: CL Intensidad de precipitacin 75mm/h Permeabilidad (K): 0.00095 cm/s (Obtenida por ensayos in-situ) D85: 0.05 mm (Dato extrado de la curva granulomtrica).

Preguntas?

Calcule el caudal total circulante por el subdren. Determine el dimetro de la tubera del subdren capaz de Determine el dimetro de la tubera del subdren capaz de

trasportar el caudal de diseo. Determine la permeabilidad que deber tener el geotextil. Calcule el tamao de abertura del geotextil si D60=

0.03mm y D10=0.018mm

DRENAJE VIAL

24

MATERIAL FILTRANTE

Dispongo de un material con las siguientes propiedades:K=0.065cm/s y D15= 2.3mm y D50=14mm.y 15 y 50

Determinar si es posible colocar esta capa directamentecomo material filtrante si el suelo presenta las siguientescaractersticas:D15= 0.52mm, D50= 0.6mm, D85 = 0.8mm

De no ser as determine las caractersticas granulomtricas deun material filtrante adecuado para este propsito sin modificarlas caractersticas del suelo, y recomiende el dimetro delorificio del tubo circular del tubo colector si D85F > 1.5D50F

DT: Alcantarillas Las alcantarillas son conductos cerrados, de forma

diversa, que se instalan o construyen transversales y pordebajo del nivel de subrasante de una carretera quedebajo del nivel de subrasante de una carretera quepermiten el paso del agua de un lado a otro de la va.

El diseo de alcantarillas deber realizarse en funcinde las caractersticas de la cuenca hidrulica a serdrenada y de la carretera a la que prestar servicio.

DRENAJE VIAL

25

Seleccin de Alcantarillas Debe seleccionarse de acuerdo con muchos factores

Deben usarse elementos con la forma y tamaoacorde con el caudal o cantidad de agua que le llegasegn el diseo.

De acuerdo a las condiciones topogrficas delcorredor de la carretera, se puede considerar que lasalcantarillas servirn para drenar: planicies deinundacin o zonas inundables, cuencas pequeasdefinidas para colectar aguas provenientes decunetas.

Caractersticas de las Alcantarillas Los elementos constitutivos de una alcantarilla son: el

ducto, los cabezales, los muros de ala en la entrada y salidasalida

DRENAJE VIAL

26

Mantenimiento de las Alcantarillas En la actualidad las alcantarillas son diseadas para un

dimetro mnimo de 1200mm por cuestin de control y mantenimiento En el Ec ador mas del 50% del sistemamantenimiento. En el Ecuador mas del 50% del sistema de drenaje no cumple con esta especificacin.

CabezalesLos cabezales son muros que se construyen a laentrada y la salida de las alcantarillas, para cumplir conlas siguientes funciones:

Evitar la erosin alrededor de la misma. Evitar los movimientos horizontales y verticales de los

tubos. Guiar la corriente Guiar la corriente Permitir un mayor ancho de la va y por ende, ofrecer

mayor seguridad para el conductor.

DRENAJE VIAL

27

Consideraciones Tcnicas

Para garantizar un buen funcionamiento de los cabezales ygarantizar una mayor vida til de los mismos, debern seguirse lassiguientes consideraciones tcnicas:siguientes consideraciones tcnicas:

Las dimensiones de los cabezales deben ser tales que impidan eldeslizamiento de los taludes inmediatos hacia el canal de lacorriente.

Los cabezales pueden ser construidos de concreto reforzado, demampostera o de concreto ciclpeo, entre otros.

La excavacin requerida, para cabezales, debe quedar previstadurante la colocacin de alcantarillas

Consideraciones Tcnicas La construccin de los cabezales se realizar inmediatamente

despus de la colocacin de las alcantarillas. Ello con el fin deevitar el desacomodo de los tubos.

No se recomienda construir cabezales en secciones de relleno. En caso de ser necesario es recomendable revestir y escalonar el canal de salida.

En caso necesario, se deben construir dentellones, piso de concreto hidrulico, para evitar la socavacin del cabezal.

DRENAJE VIAL

28

Consideraciones TcnicasCabezal Cabezal

L

E n m a m p o s t e r a

Alcantarilla

Cabezal

La separacin entre los cabezales provocaun estrangulamiento de la va. Forma incorrecta.

Alcantarilla

Cabezal

El ancho de la va no se ve afectado porla construccin de cabezales y adems se posibilita la ampliacin de la va en unfuturo. Forma correcta.

L

X

E L E V A C I O N D E L F R E N T EE L E V A C I O N D E L E X T R E M O

P L A N T A E L E V A C I O N D E L F R E N T E

Estructuras de Entrada y Salida

En General:Para alcantarillas de control entradas tipo CA o AA.Para alcantarillas en quebradas tipo AA

DRENAJE VIAL

29

Consideraciones Tcnicas

Cabezal para tuberas circulares (m) 1,20 1,40 1,50 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40A 0,35 0,38 0,38 0,40 0,42 0,45 0,48 0,50B 0,75 0,85 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40C 1,00 1,10 1,15 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60D 1,15 1,30 1,40 1,50 1,60 1,80 2,00 2,20F 0,25 0,28 0,28 0,30 0,32 0,33 0,35 0,38H 1,80 2,00 2,10 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00L 5,00 5,60 6,00 6,30 7,10 8,00 8,60 9,40

Consideraciones TcnicasLos cabezales para tuberas circulares son construidosgeneralmente con hormign armado, las cantidades de hormignpara diferentes cabezales esta en funcin de su dimetro as comola cantidad de hierro recomendado normalmente en este tipo dela cantidad de hierro recomendado, normalmente en este tipo deobras civiles (varillas de 14mm)

Cabezal para tuberas circulares (m)

1,20 1,40 1,50 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40Volumen HormignVolumen Hormign

(m) 3.2 3.8 4.2 4.8 5.4 6 7 7.5Acero refuerzo 14mm

(kg) 48 57 63 72 81 90 105 112.5

DRENAJE VIAL

30

Diseo de Alcantarillas Requiere informacin base para su dimensionamiento

Topografa Cartografa bsica para determinar rea de drenaje, uso

de suelos, parmetros geomorfomtricos. Anlisis Hidrolgico: prediccin de los valores mximos

de las intensidades de precipitacin o picos delescurrimiento, segn el caso, para perodos de retornoespecificados

Anlisis hidrulico: establecer las dimensionesrequeridas de la estructura para desalojar los caudalesaportados por las lluvias.

Consideraciones de diseo

Localizacin: Las alcantarillas debern instalarse oconstruirse, en lo posible, siguiendo la alineacin,pendiente y cotas de nivel del cauce de la corriente,facilitando de esta manera que el agua circulelibremente sin interrupciones y reduciendo, al mnimo,los riesgos de erosin.

Alineacin: En lo posible perpendicular a la carretera. Laalineacin esviajada requiere una alcantarilla ms larga,que se justifica por el mejoramiento en las condicioneshidrulicas y por la seguridad de la carretera

DRENAJE VIAL

31

Consideraciones de diseo

Pendiente: La pendiente ideal para una alcantarilla esaquella que no produzca sedimentacin, ni velocidadesq q pexcesivas y erosin, y que, a su vez, permita la menorlongitud de la estructura.

As mismo, la capacidad de una alcantarilla, con pendientemuy reducida, pero con salida sumergida, puede variarsegn la carga hidrulica; en este caso, la rugosidadinterna de la alcantarilla es un factor que debe tenerse encuenta. Para evitar la sedimentacin, la pendiente mnimaser 0,5 por ciento y la mxima recomendable de 3%.

Consideraciones de diseo Longitud: La longitud necesaria de una alcantarilla

depender del ancho de la corona de la carretera, de laaltura del terrapln, de la pendiente del talud, de laalineacin y pendiente de la alcantarilla y del tipo deproteccin que se utilice en la entrada y salida de laestructura

DRENAJE VIAL

32

Consideraciones de diseo Velocidad de la corriente. Las altas velocidades en la salida

son las ms peligrosas y la erosin potencial en ese punto est d b t tun aspecto que deber tenerse en cuenta.

Para establecer la necesidad de proteccin contra la erosin, lavelocidad a la entrada y/o salida deben compararse con lamxima velocidad permisible (no erosiva) del material del cauce,inmediatamente aguas arriba y/o aguas abajo de la estructura.

Carga admisible a la entrada Hep- el valor menor que resultede considerar los siguientes criterios: a) disponer de un bordolibre mnimo de 1,00 m, medido desde el nivel de la rasante yb) que no ser mayor a 1,2 veces la altura del ducto.

Parmetros de Diseo El clculo dimensional de una alcantarilla se efectuar

con base al caudal mximo de diseo, a la pendienteestablecida y a la verificacin de la velocidad mximaestablecida y a la verificacin de la velocidad mximay/o el remanso en la entrada.

El mtodo ms adecuado para estimar el caudal mximo, enestas condiciones, es el denominado Mtodo de Manning quedepende de la seccin y de la pendiente.

Q C d l ( / )Q = Caudal (m/s)n = RugosidadA = Area (m)R = Radio hidrulico rea/Permetro mojadoS = Pendiente m/m

DRENAJE VIAL

33

Parmetros de Diseo Coeficiente de Rugosidad n

Ejercicios

Determine el caudal que circula por una tubera circularde acero corrugado de 1,20m si la pendiente longitudinales de 2% y el calado del agua es 0.80. Asuma n deManning = 0.024

Dimensione la alcantarilla de acero (n=0.024) quesoporte un caudal de 4.5m/s, la pendienterecomendada para su emplazamiento es de 2%.

DRENAJE VIAL

34

Expresiones de calculo para flujo en alcantarillas circulares

Anlisis Hidrolgico Dos componentes del ciclo: precipitacin y escurrimiento.

Mt dMtodos:

Empricos: Sin informacin: Creager y Lowry Semiempricos: Intensidad de la precipitacin: Mtodo

Racional y Vente Chow Estadsticos: Precipitaciones y Caudales mximos

instantneos (Gumbel Normal Person)instantneos (Gumbel, Normal, Person). Modelos matemticos: HEC HMS (Mtodo SCS)

caractersticas de la cuenca de drenaje, uso de suelo,pendiente, precipitaciones mximas, tiempo deconcentracin, coeficiente de escurrimiento, periodo deretorno)

DRENAJE VIAL

35

Anlisis Hidrolgico: Mtodo RacionalUn mtodo adecuado y ampliamente utilizado para estimar el caudal mximo en cuencas pequeas, que no excedan a 400 Ha, es el denominado Mtodo Racional que permite a, es e de o ado odo ac o a que pe edeterminar el caudal en funcin de los datos de precipitacin pluvial en el lugar, del rea de la cuenca, de la topografa y del tipo de suelo.

Q = El caudal mximo probable, en m3/seg. C = El coeficiente de escorrenta I L i t id d d l i it i /hQ= C.I.A /360 I = La intensidad de la precipitacin, en mm/h,

A = El rea de la cuenca, en Ha

Q C.I.A /360

La intensidad de la lluvia esta referida al valor medio y al tiempo de duracin de la misma igual al tiempo de concentracin.

Anlisis Hidrolgico: Mtodo RacionalPara aplicacin a cuencas de drenaje pequeas < 1.6km

rea de Drenaje (A)j ( )

El rea de drenaje se puede determinar en las cartas topogrficas del IGM (escala 1:25.000), en fotografas areas, y se considerar como la superficie en proyeccin horizontal limitada por el parte-aguas. Esta rea se calcular por cualquier mtodo y se expresar en hectreas o en kilmetros cuadrados.

DRENAJE VIAL

36

Anlisis Hidrolgico Intensidad de Precipitacin (I)

El INAMHI publica peridicamente anlisis estadsticos deEl INAMHI publica, peridicamente, anlisis estadsticos deintensidades que permite calcular, por medio de las ecuacionespluviomtricas, la relacin intensidad-frecuencia-duracin, para cadauna de las denominadas zonas de intensidades

Periodos de Retorno

De acuerdo al tipo de carretera se asignan los siguientes perodos deDe acuerdo al tipo de carretera, se asignan los siguientes perodos deretorno: (1) Para carreteras arteriales, ser no menor a 200 aos; (2)para carreteras colectoras, ser no menor a 150 aos; (3) Paracarreteras vecinales, ser no menor de 100 aos. En casosparticulares depender de los trminos de referencia de los estudios.

Anlisis Hidrolgico Tiempo de Concentracin

Tiempo necesario para que el agua de lluvia cada en el punto msl j d d l i d d d ll di halejado de la seccin de desage de una cuenca llegue a dicha

seccin

DRENAJE VIAL

37

Anlisis Hidrolgico Tiempo de Concentracin

Debido a la limitada informacin existente se recomienda tomar elti d d i d l ll i i l l ti d t itiempo de duracin de la lluvia igual al tiempo de concentracin,considerando que en ese lapso se produce la mayor aportacin de lacuenca al cauce.

Tc = 0,0195 ( L3 / H )0.385

Donde: Tc = El tiempo de concentracin, en min. L = El longitud del cauce principal, en m. H = El desnivel entre el extremo de la cuenca y el punto de descarga,

en m.

Zonificacin de Intensidades

Las ecuaciones pluviomtricascorrespondientes a las 32pzonas meteorolgicas del Pas(ver plano adjunto dezonificacin de intensidades)que se utilizarn, son las queperidicamente publica elINAMHI, para diferentesperodos de retorno, siendo 5

l i d baos el mnimo que debeconsiderarse para pronsticospluviales en materia dedrenaje de carreteras.

DRENAJE VIAL

38

Zonificacin de Intensidades

Anlisis Hidrolgico Precipitacin mxima en 24 horas

La precipitacin mxima en 24 horas se obtendr de los registros delas estaciones pluviomtricas ms cercana a la zona del proyecto,cuando no se disponen de tales datos se podra recurrir al mapa deisolneas del INAHMI, en correlacin con la zonificacin con la que hansido determinadas las ecuaciones

Coeficiente de Escorrenta (C)

Este coeficiente establece la relacin que existe entre la cantidad totalde lluvia que se precipita y la que escurre superficialmente; su valordepender de varios factores: permeabilidad del suelo, morfologa dela cuenca, pendiente longitudinales y cobertura vegetal

DRENAJE VIAL

39

Anlisis Hidrolgico Coeficientes de Escorrenta C

Ejercicios Mtodo Racional

Determinar el caudal de drenaje para una alcantarillaubicada en una quebrada para los siguientes datos:

Precipitacin: 100 aos, 98mm Longitud del cauce: 0.5km Desnivel 300m Pendiente superficie 25%

d j 1 2k rea drenaje: 1.2km Uso suelos Pastos (0.8km y Bosque 0.4km)

condiciones medias Ubicacin superficial en zona 3

DRENAJE VIAL

40

Anlisis HidrolgicoPara cuencas de drenaje mayores a 1,6km

Mtodos para obtencin de caudales

Entre los mtodos ms recomendados para realizar la estimacin de caudales de altos periodos de recurrencia aplicados a obras de gran importancia, se puede mencionar el del hidrograma unitario sinttico (HUS), el mtodo SCS (Soil Conservacin Service) y el mtodo de Precipitacin-Escurrimiento.

Precipitacin mxima 24horas para l para periodo de retorno de diseop p p p Propiedades morfomtricas: rea, cota mxima y mnima, pendientes y

caractersticas del curso del ro hasta el punto en cuestin Hidrograma de diseo, SCS: Tiempo de retardo, coeficiente de escorrenta

a partir del mapa de uso de suelos de la cuenca (Numero de Curva CN), abstracciones iniciales y almacenamiento.

Hietograma de diseo (comportamiento temporal de la precipitacin).

Metodologa de clculo SCS: Numero de Curva CN

DRENAJE VIAL

41

Anlisis HidrolgicoMetodologa de clculo SCS: Numero de Curva CN

Escorrenta Directa Q en mm

Ia =0.2S

S = 254 (100/CN - 1) (mm)


Escorrenta Directa Q

S: La retencin S es funcin de 5 factores: uso de la tierra,intercepcin, infiltracin, almacenamiento por depresiones yhumedad antecedente

CN:Anlisis empricos han sugerido que los CN son funcin de 3factores: grupo de suelo, la cobertura y las condicionesantecedentes de humedad

DRENAJE VIAL

42

Ejercicio Numero de Curva

Determine la escorrenta directa esperada para la siguiente superficie de drenaje de 12kmsiguiente superficie de drenaje de 12km

Precipitacin total 35mm Grupo hidrolgico C Pastos 40%, bosque 35%, cultivos 25%


Precipitacin efectiva: Que parte de la precipitacin va a generar tescorrenta

DRENAJE VIAL

43


Hidrograma Unitario: Es el hidrograma de escorrenta directa que se producira en la cuenca si sobre ella se produjera una precipitacin

t it i d d i d t i d (Ej 1 1h)neta unitaria de una duracin determinada (Ej: 1mm en 1h)

Esa precipitacin debe producirse con una intensidad constante a lolargo del periodo considerado yrepartida homogneamente enrepartida homogneamente entoda la superficie de la cuenca.

Anlisis HidrolgicoHidrograma Unitario.

DRENAJE VIAL

44

Anlisis HidrolgicoHidrograma Unitario. El hidrograma total se encuentra con la

sumatoria de los hidrogramas sucesivos, hasta el termino de laprecipitacin, es decir desplazados en los intervalos de tiempoconsiderados

Para precipitaciones reales y cuencas muy grandes (>500km): Transito de hidrogramas

0.120

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

22.00

23.00

24.00

Horas

Prec

ipita

cin

(mm

)

DRENAJE VIAL

45


Clculos adicionales: Obtencin de Hidrograma triangular SCS

tp= 0 5 x D + 0 6 tctp 0.5 x D + 0.6 tcQp = 0,208.A.P/ tp

Tb = 2.67 tp

tp.- Tiempo de punta (horas)Qp.- caudal de punta (m/s)A.- rea de drenaje (km)

P.- Precipitacin Efectiva (mm)D.- Duracin de la precipitacin efectiva

Tc.- Tiempo de concentracin.

tr = 2,587. L0,8 (1 000/CN 9)0,7 / (1 900 . H0,5)

Tr.- Tiempo de retardo (h)L: Longitud del cauce del ro (m)CN: Numero de curva debido al escurrimientoH: Pendiente media de la cuenca (%)

p

Tc.- Tiempo de concentracin (min)H.- Diferencia de elevacin en la cuenca (m)

Tc = 0,0195 ( L3 / H )0.385


Condicin de humedad antecedente

El mtodo del nmero de curva de escorrenta tiene tres niveles de humedad antecedente, dependiendo de la precipitacin total en los , p p pcinco das previos a la tormenta

Precipitacin acumulada para tres niveles de condicin de humedad antecedente.

Condicin de humedad antecedente(AMC)

Precipitacin acumulada de los 5 das previos al evento en consideracin(cm)

I 0 - 3,30II 3 50 5 25

Condicin de humedad antecedente publicada por la Soil Conservation Service

II 3,50 - 5,25III ms de 5,25

El AMCI considera al suelo seco, el AMCII a suelos humedecidosmientras que el AMCIII a suelos completamente saturados.

DRENAJE VIAL

46


Condicin de humedad antecedente

Los valores de CN(I) y CN(III), se pueden estimar a partir de CN(II)tili d l i t ti iutilizando las ecuaciones que se presentan a continuacin:

Ejercicio hidrograma triangular

Determinine el hidrograma mximo de crecida de unagcuenca aplicando el mtodo del SCS teniendo la siguienteinformacin

rea: 78km Desnivel 2320m

Precipitacin 60mm efecti a 80% distrib ida cada Precipitacin 60mm, efectiva 80%, distribuida cada hora (10%,30%,25%,20%,15%)

Longitud del cauce L=20.5km Duracin de la precipitacin D = 5h

DRENAJE VIAL

47

Trabajo hidrograma triangular

Si la lluvia tres das antes fue de 26mm, como afecta alca dal p nta calc lado anteriormente aplicando lacaudal punta calculado anteriormente aplicando lasiguiente informacin de entrada

rea: 78km Desnivel 2320m Suelo tipo B: Cultivos 35%, Bosque 40%, Pastos 25%p %, q %, % Precipitacin 60mm, distribuida cada hora

(10%,30%,25%,20%,15%) Longitud del cauce L=20.5km Duracin de la precipitacin D = 5h

Anlisis Hidrolgico

Modelizacin Hidrolgica de eventos mximos: HEC HMS

El modelo hidrolgico HEC-HMS, USACE (2000) permite ladeterminacin de hidrogramas de salida a partir de informacin deprecipitaciones ms propiedades geomorfolgicas de las cuencashidrogrficas. Existe la posibilidad de utilizar dentro del modelo unavariedad de mtodos conocidos, lo cual lo hace un modelo verstil yde fcil aplicacin.

Una de las ventajas de este modelo es que al no ser espacial permiterealizar el anlisis de varios escenarios posibles. Adems es posiblegenerar en un solo sistema integrado todos los componentes delcomportamiento hidrolgico: esto es: ros, lagunas, embalses,captaciones, etc.

DRENAJE VIAL

48

Anlisis HidrolgicoModelizacin Hidrolgica de eventos mximos

Criterios Fundamentales

Volumen de Precipitacin Hietograma de diseo Hidrograma SCS, Clark, Snyder

Anlisis HidrolgicoPrecipitacin de diseo

Anlisis de precipitaciones mximas en 24h

Anlisis estadstico de la serie histrica de informacin : Ej Gumbel, Normal,Person, etc.

Gumbel: La distribucin de Gumbel ha sido utilizada con buenosresultados para valores extremos independientes de variablesmeteorolgicas y parece ajustarse bastante bien a los valoresmximos de la precipitacin en diferentes intervalos de tiempo ydespus de muchos aos de uso tambin se confirma su utilidad enlos problemas prcticos de ingeniera de dimensionamiento de redesde drenaje y diversas obras hidrulicas.

DRENAJE VIAL

49



Periodo de retorno: Intervalo de tiempo en aos en el que se esperaque se presente una sola vez la avenida o precipitacin extrema quese considera en el diseo.

T (x) = 1 / [1-F(x)]

F(x)= Funcin de probabilidadT(x) = Periodo de retorno para la intensidad (x)

F(x) = 1- 1/ T(x)



Gumbel:

yeexFp 1)(1p = Probabilidad de excedencia de un valor Xe = Base de logaritmos naturales = 2,7183y = Variable reducidaX = Magnitud de la variable

XsyXX .45.07797.0 KsXX 45.07797.0 yK

xKsXX

py 1lnln

DRENAJE VIAL

50



Gumbel: Conocida como la funcin de probabilidad devalor extremo tipo I cuando K=1

u.- Parmetro de Ubicacin (moda) Parmetro de escalas.- Desviacin Estndar

x = u [ ln (-ln (Fx)) ]


Gumbel:

90100T (aos) Est1 Est2 Est3

yeexFp 1)(1

01020304050607080

1 10 100

Precipita

cin

(mm)

PeriododeRetorno(Aos)

5 30 51 3110 34 60 3525 40 71 3950 44 79 42100 48 87 46

DRENAJE VIAL

51

Anlisis HidrolgicoPrecipitacion de diseo

Isoyetas mximas de diferentes periodo de retorno

Anlisis HidrolgicoEjercicio

Anlisis estadstico de precipitaciones mximas en 24h

Calcule las precipitaciones para el periodo de retorno de 5, 10, 25, 50 y 100aos aplicando la metodologa de Gumbel para la estacin correspondiente acada uno de ustedes

p p

DRENAJE VIAL

52

Prueba de Normalidad

Normalidad.- Para poder aplicar una distribucin deb bilid d l i d d t d l i blprobabilidades a la serie de datos de la variable

estudiada es necesario verificar si la muestracorresponde a una distribucin normal, en la prcticageneralmente es asumida esta circunstancia.

Cuando se analizan registros disponibles de formavisual se pueden notar la posibilidad de valoressospechosos o dudosos ya que el orden de magnitudparece alejarse significativamente de la mediapoblacional

Prueba de bondad de ajuste

Diagrama de caja El anlisis ms simple de valoracinde outliers o valores extremos es el diagrama de caja oboxplot el cual permite observar la asimetra queboxplot, el cual permite observar la asimetra quepresenta el grupo de datos y el tipo de comportamientoque presenta.

La figura es elaborada a partir de los cuartiles (Q1, Q2,Q3) y el rectngulo est dividido por un segmento

ti l i di d d i i l divertical que indica donde se posiciona la mediana y porlo tanto su relacin con los cuartiles primero y tercero (elsegundo cuartil coincide con la mediana Q2). Esta cajase ubica a escala sobre un segmento que tiene comoextremos los valores mnimo y mximo de la variable

DRENAJE VIAL

53

Prueba de bondad de ajuste

Los valores extremos se pueden considerar de dostipos valores atpicos y valores sospechosos paratipos, valores atpicos y valores sospechosos, paradecidir si estos valores son atpicos y deben sereliminados del anlisis de probabilidades se utilizara elcriterio de John Tukey 1977.

Si la distancia del rectngulo principal al valor extremoes 3 veces su longitud (entre Q1 y Q3) es un valores 3 veces su longitud (entre Q1 y Q3) es un valoratpico y si su relacin es menor el valor es sospechosoy no necesariamente debe ser desechado del anlisisposterior.

Diagramas de Caja90

803

80

7031

YAU

SI

70

60

50

40

30

4

RAD

O

60

50

40

30

20

5

33N =

MUESTRA

1.00

SAY

20

40N =

MUESTRA

1.00

LABR

10

http://www.alcula.com/es/calculadoras/estadistica/diagrama-de-caja/

DRENAJE VIAL

54

Test de Kolmogorov Smirmov Este test de bondad de ajuste est basado en un estadstico que mide

la desviacin de la frecuencia observada acumulada con relacin a lafrecuencia terica acumulada. Este test es vlido para distribucionescontinuas. Sin embargo, sirve tanto para muestras grandes comomuestras chicas

Una vez determinadas ambas frecuencias, se obtuvo el supremo de las diferencias entre ambas, que se denomina D.

Anlisis HidrolgicoHietograma de Diseo

Anlisis de Curvas de duracin Intensidad y Frecuencia

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

22.00

23.00

24.00

Horas

Prec

ipita

cin

(mm

)

Hietograma con informacin real: Conocimiento del lugar de estudio

Hietograma de bloques alternos: Cuando no hay informacin

DRENAJE VIAL

55

Anlisis HidrolgicoHietograma de Diseo

Metodologas de clculo : Mtodos Empricos

Anlisis de Curvas de duracin Intensidad y Frecuencia

Metodologas de clculo : Mtodos Empricos

Con respecto a la construccin de las curvas Intensidad-Duracin-Frecuencia(IDF), diversos autores plantean distintas formas o mtodos para su construccin.

Aparicio (1997) k, m, n y c son constantes

Wenzel (1982) c, e y f son coeficientes

Varas y Snchez,

Elaboracin de curvas IDFA partir de informacin horaria y anlisis estadstico

EVENTO

TIEMPO (h) PRECIP (mm) TIEMPO (h) PRECIP (mm) Con informacin horaria seTIEMPO(h) PRECIP(mm) TIEMPO(h) PRECIP(mm)1 4 13 0.22 3.6 14 1.43 2 15 0.84 2 16 0.25 2.2 17 0.86 0.8 18 2.67 2 19 3.88 0.4 20 4.69 0 21 3.8

10 1 6 22 2 2

Con informacin horaria, seagrega la lluvia acumulndolapara diferentes horas obtenindosela distribucin de la precipitacinen el evento determinado.Se aplica el mtodo de Gumbel paracada intensidad y hora determinada.

ye1

Duracin (h)Evento 1 2 4 6 8 12 24

1 4.60 8.40 14.80 22.00 25.4 28.0 52.2

10 1.6 22 2.211 4.2 23 412 1.4 24 3.6

yeep 1

DRENAJE VIAL

56

Distribucin temporal del evento

Elaboracin de curvas IDF

Duracin (h)Evento 1 2 4 6 8 12 24

Elabore las curvas de IDF a partir de la siguiente informacin

Evento 1 2 4 6 8 12 241 4.60 8.40 14.80 22.00 25.40 28.00 52.22 4.40 7.20 11.40 16.60 19.80 24.80 39.23 6.40 7.00 7.40 9.20 15.60 18.40 26.84 4.00 7.20 13.00 17.00 20.20 28.40 52.65 7.40 11.80 17.80 22.00 24.60 28.60 35.86 5.60 9.60 15.20 19.00 22.80 27.60 33.47 5.20 10.00 17.20 22.80 29.80 38.00 60.68 4.20 6.20 9.80 13.00 17.20 24.00 34.49 7.20 13.20 20.60 23.60 26.80 32.20 33.610 4.60 16.00 20.60 26.40 31.40 32.60 33.811 4.80 6.60 12.00 17.40 23.00 33.20 50.612 8.00 13.60 23.20 30.00 33.00 39.20 50.413 4.80 9.00 17.60 22.00 25.60 33.00 53.614 13.00 16.20 17.60 20.20 22.80 24.40 57.815 3.00 5.00 9.60 13.20 16.80 24.20 40.416 2.80 4.80 8.60 12.20 15.80 23.40 37.217 4.00 7.00 11.60 15.20 17.20 19.40 38.8

DRENAJE VIAL

57

Elaboracin del Hietograma de diseo

Elabore el hietograma de diseo de la Elabore el hietograma de diseo de laprecipitacin de diseo de 100 aos de periodode retorno para la estacin propia de anlisisconsiderando un evento de 10 horas con lasiguiente distribucin horaria:

En % (2, 4, 7, 12, 32, 18, 10, 8, 5, 2) informacin que ser utilizada en la modelizacin hidrolgica e hidrulica

Trabajo: Control de calidad de las curvas IDF

Determine la bondad de ajuste para cada Determine la bondad de ajuste para cadaduracin y determine la validez de la distribucinempleada, adicionalmente determine R2 paraconocer su coeficiente de determinacin y desus conclusiones.

DRENAJE VIAL

58

Anlisis HidrolgicoHidrogramas de Diseo

Hidrograma Unitario de la Soil Conservation Service (SCS).g ( ) Determinacin de propiedades morfometricas de las cuencas y

puntos de inters. Calculo de parmetros necesarios del mtodo SCS, numero de

curva, tiempos de retardo, abstracciones iniciales, etc. Implementacin de las precipitaciones de diseo

Hidrograma Unitario de Clark Hidrograma Unitario de Clark Determinacin de propiedades morfometricas de las cuencas y

puntos de inters. Calculo de parmetros necesarios del mtodo, tiempos de

concentracin, coeficiente de almacenamiento, curvas isocronas Implementacin de las precipitaciones de diseo

Hidrograma de Clark Recomendado para variacin notable de la pendiente del curso del ro.

Ros de la sierra que desembocan en el mar

El hidrograma unitario de Clark tiene en cuenta el trnsito a travs de la El hidrograma unitario de Clark, tiene en cuenta el trnsito a travs de lacuenca, a travs de las curvas iscronas. Las curvas iscronas son curvasque unen los puntos de la cuenca que tienen igual tiempo de desage.

Clark propone el clculo del coeficiente de almacenamiento K como:K= 0,5 a 0,8 *Tc

DRENAJE VIAL

59

Hidrograma de Clark A partir de las curvas iscronas trazadas cada un cierto intervalo de tiempo

(por ejemplo., 1 hora) se dibuja un histograma rea-tiempo.

Clark propone que este hidrograma sea transitado por algn mtodo de Clark propone que este hidrograma sea transitado por algn mtodo dealmacenamiento, por ejemplo, un depsito, para simular las retencionesque se producen en la cuenca y atenuar los picos.

200

250

300

HistogramaTiempo Areaparaeleventodediseo(isocronas)

0

50

100

150

01 12 23 34 45 56 67 78

Area

(km)

Tiempo(horas)

Modelando en HMSHEC-HMS (Hydrologic Modeling System): Modelo lluvia-escorrenta para la simulacin y previsin en redes hidrogrficas de cuencas complejas

DRENAJE VIAL

60

Modelo Hidrolgico HEC HMS El modelo HEC-HMS, desarrollado por el Centro de Ingeniera

Hidrolgica del cuerpo de ingenieros de la armada de losEE UU surge como evolucin del conocido y ampliamente utilizadoEE.UU., surge como evolucin del conocido y ampliamente utilizadoHEC-1, con varias mejoras con respecto a ste, La aplicacinincluye un modelo precipitacin - escorrenta para la estimacin deavenidas.

Caractersticas tcnicas:Clculo hidrolgico de crecidas. Leyes de frecuenciaVisualizacin grfica de datos y resultadosEjecutable en entorno Microsoft Windows

Aplicaciones: Clculo hidrometeorolgico de crecidas.

Modelo Hidrolgico HEC HMS

DRENAJE VIAL

61

Cuenca Alta del ro Paute

Eventos extremosHidrograma de Diseo: Mtodo SCS

SistemaPunto

Pendiente Media (%) CN T lag (min) S (mm) Ia (mm)

CulebrillasCushnihuaycu 48,1 65 7,2 136,8 27,4

Pucacocha 47,9 65 16,6 136,8 27,4

Estrella Cocha 44,7 65 10,3 136,8 27,4

Matadero

Quintacocha 51,6 64 30,6 142,9 28,6Quimsacocha 47,5 64 11,2 142,9 28,6

Mat 3 51 64 23,2 142,9 28,6

Mat 4 67,5 64 9,4 142,9 28,6

LlaviucoLlaviuco 45,4 62 112,3 155,7 31,1

Taitachugo 37,8 62 85,3 155,7 31,162 155,7 31,1

SoldadosSol 1 37,6 64 54,1 142,9 28,6

Hunanchi 40,4 64 21,1 142,9 28,6

64 142,9 28,6

QuingoyacuQuingoyacu 16,2 62 179,7 155,7 31,1

62 155,7 31,1

DRENAJE VIAL

62

Modelando en HMSCreamos proyecto Nuevo: (nombre)

Componentes: Creacin de los mdulos prequeridos del programa

Basin Model (cuenca drenaje) Nombre

Meteorological Model: Caractersticas de la precipitacin (Nombre)

E ifi i d C t l P i d d lEspecificaciones de Control: Periodo del tiempo de modelacin (nombre)

Times Series: Informacin meteorolgica: Precipitation Gages (nombre)

DRENAJE VIAL

63

Modelando en HMSCreamos el modelo hidrolgico

Sub basin: Creamos la cuenca (nombre)( )

Le cargamos al modelo con informacin requerida para la simulacin

rea (km):Mtodo de Perdidas: SCS Curve NumberMtodo de Transformacin: SCS Unit HydrographMtodo del flujo Base: Recession

Loss: Perdidas

Initial Abstraccion (mm): IaCurve Number : CNImpervious (%): Impermeabilidad visible en la cuenca (0-5%)

Modelando en HMSCreamos el modelo hidrolgico

Transform: (Forma del hidrograma)

Gragh Type :StandardLag Time: Tiempo de retardo (min)

Base Flow: (Flujo base al inicio del evento)

Initial Discharge (m/s)g ( )Recession Constan: Constante de Recesin (0.1-0.99)Threshold Type (Tipo de umbral del escurrimieto): Ratio To Peak (radio el pico)Ratio: (0-1)

DRENAJE VIAL

64

Modelando en HMS

Creamos el modelo hidrolgico

Modelo Meteorolgico

Precipitacin :Hietograma especificoUnidades: Sistema Mtrico

Basin: Cuenca hidrogrfica: YES

E ifi i d t lEspecificaciones de control

Fecha de inicio y fin del evento, datos de hora, en formato establecido

Intervalo de simulacin: 5min

Modelando en HMS

Creamos el modelo hidrolgico

Time Series Data

Intervalo de tiempo: 15min

Se ingresa en la tabla elhietograma de precipitacin conescala temporal cada 15min.

DRENAJE VIAL

65

Modelando en HMS

Opcionales

Cargar mapas shapefile para mejorg p p p jvisualizacin de la zona de estudio:se pueden cargar, ros, topografa,cuenca de drenaje, vas, etc

COMPUTE: Corrida de HEC HMS

C t i l ti CCreate a simulation run: Cargamoslos mdulos creados para el efecto

Corrida del modeloVisualizacin de resultados

Modelando en HMS

Resultados: En forma Grafica y Tabular

Precipitaciones neta, efectiva, perdidas, exceso de precipitacin, p , , p , p p ,escurrimiento, en unidades (mm, o m)

DRENAJE VIAL

66

Modelando en HMSAlternativas de modelacin

Numero de Curva: Variando entre 60 y 75

Hidrograma de Clark: Coeficiente de almacenamiento 0.5-0.8Tc

Precipitacin: SCS Storm. Tipo I, Tipo IA, Tipo II, Tipo III.

Hietograma: Periodo de retorno de 25 aos.

Trasformacin: Tipo de grafico Delmarva? Cuando aplicar??Trasformacin: Tipo de grafico Delmarva? Cuando aplicar??

Constante de Recesin y Relacin al pico: Calibrando el hidrograma

Intervalo de Simulacin: 1 hora, 2 horas.

Modelando en HMS

Trabajo: Interpretacin de resultados

Precipitacin

Ensayo

Precipitacinefectiva

Tiemporetorno Hidrograma CN Intervalo CaudalPico

1 SCS 100 SCS.Estndar 75 1min 2502 SCS 100 ClarkK=0.6 70 1min 2203 SCS 25 SCS.Estndar 72 15min 1804 SCS 25 ClarkK=0.8 68 15min 1505 SCS TormentoTipoI SCS.Delmarva 70 30min 190

d h 1706 SCS TormentoTipoIA SCS.Estndar 65 1hora 1707 SCS TormentoTipoII SCS.Estndar 60 30min 140

ConclusionesGeneralesInteraccindecriterios,enalmenos20corridasdelmodelo.

DRENAJE VIAL

67

Diseo Vial bsico A partir del diseo vial entregado y la informacin base, realice el

estudio de drenaje vial integral correspondiente: Anlisis hidrolgico: Determinacin de las lluvia de diseo,

intensidad media diaria e intensidad de diseo, zonificacin deintensidades.

Diseo de cunetas, criterios, caudal de diseo, dimensionamientogeomtrico, caudal unitario de escurrimiento en la calzada.

Subdrenaje. Inspeccin de lugares requeridos, consideraciones dediseo, clculo de subdrenes.

Identificacin de puntos de drenaje transversal. Aplicacin del mtodo Racional ( 1.6km).- Usos de suelo, rea de drenaje, numero de curva,hietograma de diseo, periodo de retorno, tiempo de retardo,consideraciones de modelacin, hidrograma de diseo.

Diseo Vial bsico Ubicacin de drenaje transversal, especificaciones y

consideraciones de diseo, caudal total de diseo, diseo dealcantarillas, verificacin de flujos, comprobacin hidrulica,

t t d t d lid t t d di i iestructuras de entrada y salida, estructuras de disipacin.

Ubicacin de puentes: Estudio hidrulico, obtencin de parmetrosde diseo, calculo de la socavacin, consideraciones yrecomendaciones

Cantidades de obra para el estudio de drenaje Planos de detalle del sistema de drenaje en trazado vertical y

horizontal (Abs, Q, S, L, cotas) Conclusiones y Recomendaciones Bibliografa

DRENAJE VIAL

68

Anlisis Hidrulico Principios bsicos de la hidrulica y en sus ecuaciones

fundamentales de continuidad, energa y cantidad demo imiento (Las alcantarillas por lo general debenmovimiento. (Las alcantarillas por lo general debentrabajar como canales)

Caudal: El flujo en una alcantarilla se manifiesta por formas tpicasde escurrimiento: 1) con control de entrada y 2) con control desalidasalida.

Entrada: seccin transversal del ducto, la geometra de la entrada, y laprofundidad del agua a la entrada o altura de remanso.

Salida: nivel del agua en el cauce a la salida de la alcantarilla, ascomo tambin la pendiente, rugosidad y longitud del ducto.

Alcantarillas para drenaje de cunetas

El caudal mximo se determinar por la sumatoria de los volmenes de escurrimiento de las cunetas mas aporte del drenaje por s perficie estimados para n perodo dedel drenaje por superficie, estimados para un perodo de retorno especificado.

Variables Q = Caudal de diseo (m/seg) B = Ancho para secciones rectangulares (m) D = Dimetro o altura, segn el tipo de alcantarilla (m) S = Pendiente del fondo So = Pendiente del fondo. Hw= He = Tirante de agua permisible en la entrada (m). Ke = Coeficiente de prdida de carga por la entrada. L = Longitud de la alcantarilla (m). n = Coeficiente de Manning. Tw =Hs = Tirante de agua en la salida (m)

DRENAJE VIAL

69

Diseo Hidrulico de Alcantarillas Se asume que se dispone del caudal de diseo de la alcantarilla. El mismo

debi haber sido calculado, o al menos estimado, con anterioridad.Normalmente se adopta para la alcantarilla el caudal producido por unatormenta con un tiempo de retorno de 25 a 50 aos

En sntesis, el diseo de alcantarillas consiste en determinar el tipo deseccin, material y embocadura de alcantarilla que, para la longitud ypendiente que posee, sea capaz de evacuar el caudal de diseo,provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en peligro de fallaestructural.

El procedimiento para el diseo de alcantarillas no sigue un camino nico yexacto, sino que, por el contrario, es iterativo.

El criterio y buen juicio del Ingeniero darn la ltima palabra.

Diseo Hidrulico de Alcantarillas Existen dos formas fundamentales tpicas de escurrimiento en alcantarillas,

que incluyen todas las dems:

1) Escurrimiento con control de entrada 2) Escurrimiento con control de salida

Entendiendo por seccin de control, aquella seccin donde existe una relacin definida entre el caudal y el tirante. Es la seccin en la cual se asume que se desarrolla un tirante prximo al crtico.

No es sencillo determinar de antemano si una alcantarilla va a trabajar con control de entrada o de salida. Para responder a esa pregunta habra que realizar clculos largos y complejos, lo cual quitara practicidad al mtodo.

DRENAJE VIAL

70

Diseo Hidrulico de Alcantarillas

Flujo con control de entrada

En el flujo con control de entrada el tirante crtico se forma en lasjproximidades de la seccin de entrada a la alcantarilla, quedando haciaaguas arriba de dicha seccin un remanso en flujo subcrtico, y aguasabajo, un flujo supercrtico

Por eso, las variables que intervienen en este tipo de flujo son:

Tipo y dimensiones de la seccin transversal. Ej: circular con dim=2m. Geometra de la embocadura. Ej: Con alas a 30 con respecto al eje. Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He.

1) La entrada est descubierta y la pendiente es supercrtica pudiendo ono fluir llena la seccin en parte del conducto.

2) La entrada est sumergida, y sin embargo no fluye lleno el conductopudendo ser subcrtica o supercrtica la pendiente.


DRENAJE VIAL

71


Flujo con control de salida

En el flujo con control de salida el tirante crtico se forma en lasjproximidades de la seccin de salida de la alcantarilla, quedando haciaaguas arriba de dicha seccin un remanso en flujo subcrtico, y aguasabajo, un flujo supercrtico.

. Tipo y dimensiones de la seccin transversal. Ej: circular con dim=2m. Geometra de la embocadura. Ej: Con alas a 30 con respecto al eje. Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He. Nivel de agua a la salida. Pendiente del conducto. Rugosidad del conducto. Largo del conducto.

1) La altura del agua no sumerge la entrada y la pendiente del conducto es subcrtica.

2) La alcantarilla fluyendo a plena capacidad


DRENAJE VIAL

72

Altura en la entrada HeEcuacin de la energa entre la entrada y la salida de la alcantarilla

He = Hs + H L* i

Perdidas a travs de las alcantarillas

He.- Altura en la entradaHs.- Altura en la salidaH.- Suma de perdidas a travs de la alcantarillaL.- Longitud de la alcantarillai.- Pendiente de la alcantarilla

Parmetros de Clculo Altura critica (hc) (Froude = 1) rea mojada de la alcantarilla (A, ) Altura de salida (hs)

132

gATQ

( ) Pendiente critica (Sc) (Manning) Tipo de Flujo (I, II, III, IV..) Velocidad (m/s)

Perdidas de carga (hv, hf, he)

Datos de entradaDatos de entrada Caudal (Q) Dimetro de la alcantarilla (impuesto, iterativo) (D) Longitud estimada (L) Rugosidad (n) Pendiente de la alcantarilla (So)

DRENAJE VIAL

73

Ke = Coeficiente de prdida de carga por la entrada.

Detalle de la alcantarilla

DRENAJE VIAL

74

h1 = He h4 = Hs

DRENAJE VIAL

75

Uso de Nomogramas

Uso de Nomogramas

DRENAJE VIAL

76

PROTECCION CONTRA LA SOCAVACION

Gua para el desarrollo del trabajoClculodelCaudal Caudal(m/s)

# Abscisa Area(km) t(min) IdTr ITr(mm/h) C Drenaje Cunetas Qtotal

DimensionamientoHidraulico# Abscisa QTotal D(m) L(m) So(m/m) Rug(n)

AnalisisdeFlujo# Abscisa hc c ic hs(0.8xD)

m rad m/m m

ComprobacionHidraulica

# Abscisa A V=Q/AVerificar velocidad Admisible

ke he hv hf He

rad m m/s m m m m

Abscisa CotaProyecto Pendiente Longitud Dimetro RellenoAlcantarilla

EsviajamientoCota

EntradaCotaEje

AlcantarillaCotaSalida

DRENAJE VIAL

77

Modelo Matemtico HEC RAS

Caractersticas

HEC-RAS es una aplicacin que modela el flujo del agua en ros ycanales. El programa es unidimensional y fue desarrollado por elCuerpo de Ingenieros del Departamento de Defensa de losEstados Unidos

Modelo Matemtico Implementacin del modelo HEC RAS

Para el funcionamiento de HEC-RAS se debe conocer dos tipos ded t t i d d ldatos, geomtricos y de caudales.

Los datos geomtricos fundamentales son diversas seccionestransversales a los largo del cauce o cauces considerados. Dichassecciones se introducen mediante la cota y la abscisa de variospuntos; de este modo mediante la cota de dos secciones contiguas,separadas por una distancia conocida, el modelo calcula lapendiente de ese tramo. Requiere adems proporcionar el numerod M i ( id d) t ti t tde Manning (rugosidad) caracterstico en ese punto o tramocalculado en funcin al tamao caracterstico de las partculas dellecho del ro

El caudal puede ser un solo valor constante o bien un caudalvariable en el tiempo.

DRENAJE VIAL

78

Conceptos Bsicos

Preguntas a responder:

E fi i t l i i l Es suficiente el cauce principal Hasta que altura llega el agua Sern inundadas las reas prximas y en que

extensin

Que tipo de flujo es recomendado para el anlisis de ros Que tipo de flujo es recomendado para el anlisis de ros y canales. Como se comporta el agua en una seccin establecida: Velocidad, altura critica, rea hidrulica, rgimen.

Modelo Matemtico Implementacin del modelo HEC RAS

Entorno del modelo HEC RAS en rios: Secciones Trasversales

DRENAJE VIAL

79

Modelo Matemtico Determinacin del coeficiente de rugosidad de Manning

El coeficiente de Manning es el parmetro mas representativo acalibrar en la modelacin hidrulica de roscalibrar en la modelacin hidrulica de ros.

A nivel preliminar se estimo el coeficiente de Manning a partir de la expresin de Strickler.

n= 0.047d1/6

d= Dimetro caracterstico del lecho (D50; m)

Este valor de Manning ser utilizado como inicial en el modelo,procedindose posteriormente a calibrar en funcin de la curva dedescarga y aforos lquidos de los ros

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/sws/fieldmethods/Indirects/nvalues/

Modelo Matemtico Control de calidad de la Informacin de los ros

Luego de un procesamiento de la informacin topografa segenero el modelo para el ro en estudio

DRENAJE VIAL

80

Modelo Matemtico Control de calidad de la Informacin

Corridas HEC RAS: Ro Piedras

Q 100 aos: 130 m/sn= 0,032

DRENAJE VIAL

81

Modelando en HEC RAS

Modelando en HEC RASIntroducir datos Geomtricos

Crear un esquema del roRiver Reach: Nombre

DRENAJE VIAL

82

Ingresando datos hidrulicos: Para Flujo estacionario

DRENAJE VIAL

83

Datos de contorno

Generar archivo de simulacin

DRENAJE VIAL

84

Revisar la corrida y ver resultados

Ejercicio: Modelacin en HEC RAS Simule el comportamiento hidrulico de un ro con seccin constante,

simulando en primer lugar el caudal mximo obtenido con el mtodo SCS yposteriormente con el hidrograma completo determinado.

Utili l i i t i t l i l 100 d l it d Utilice la siguiente seccin trasversal, simule 100m de longitudseparado 10m entre secciones con una pendiente de 1% para la cota delfondo. Considere condiciones de flujo critico, y un D50 =20mm

Abscisa Cota0 20002.5 19985 19977.5 1996.810 1996.512.5 1996.415 1996.417.5 1996.820 199722.5 199825 2000

DRENAJE VIAL

85

Puentes Para efecto del diseo hidrulico, se considera como puente a la

estructura que se construir en una va terrestre de comunicacin, para cruzar un curso de agua (ro, estero, arroyo, estuario, pantano, b d t )brazo de mar, etc.).

Las condiciones hidrulicas intervienen en la definicin de las siguientes caractersticas de un puente:

a) Localizacin del sitio de implantacin. b) Longitud total de la obra. ) gc) Longitud de las luces. d) Altura de la rasante. e) Ubicacin, profundidad y tipo de cimentacin. f) Obras de proteccin y/o auxiliares. g) Obras en el cauce.

Puentes Estudios requeridos

a) Levantamiento de la planta general de la zona. b) Levantamiento de la planta detallada, perfil y seccin del

cruce. c) Nivel, velocidad mxima y caudal del agua durante las

crecientes mximas. * d) Nivel y caudal del agua, en estiaje. * ) y g , j e) Perfil probable de socavacin general durante las crecientes

mximas. * f) Estudios Geotcnicos Viales y Estructurales

DRENAJE VIAL

86

Puentes

Se deben establecer los siguientes niveles de agua:

a) Nivel de aguas mximas extraordinarias (NAME), que corresponde con el perodo de retorno de diseo.

b) Nivel de aguas mximas ordinarias (NAMO), quecorresponde con el perodo de retorno de mayorfrecuencia.

c) Nivel de aguas mnimas (NAMIN), que corresponde con el perodo de estiaje.

Se verifican mtodos hidrolgicos de carcter probabilstico

Consideraciones Especiales

El puente debe considerarse como parte integrante del camino.

El puente puede quedar orientado, respecto a la corriente, en tresposibles posiciones: normal, esvijado y en curva horizontal.

Los apoyos del puente (estribos y pilas) deben orientarse en ladireccin de la corriente para presentar la menor obstruccinposible al paso del agua y reducir el riesgo de la socavacin.

Debe evitarse localizar el puente en la cercana de una curva delro; puesto que en el lado exterior de la curva podran presentarsero; puesto que, en el lado exterior de la curva podran presentarseproblemas de erosin y, en el lado interior de depositacin.

Es conveniente que el sitio de implantacin se localice en untramo recto del ro, con cauce bien definido y de preferencia en unestrechamiento para tener la menor longitud de puente

DRENAJE VIAL

87

Consideraciones Especiales

La longitud ptima del puente, desde el punto de vistahidrulico, ser la que cubra toda la amplitud de la lmina deagua correspondiente al nivel de aguas mximasagua correspondiente al nivel de aguas mximasextraordinarias (NAME).

El glibo mnimo es el espacio medido, en sentido vertical,entre el nivel de aguas mximas extraordinarias y la carainferior de la superestructura del puente; por sobre elevacin,cuerpos flotantes e incertidumbre al menos 2mcuerpos flotantes, e incertidumbre al menos 2m.

El periodo de retorno del estudio de puentes es: Caminosvecinales: 50 - 100 aos, secundarios 100-250 aos ycaminos principales 200-1000 aos

Socavacin en puentes La evaluacin de la socavacin se realiza en la seccin

transversal del emplazamiento del puente y corresponde a laque ocurre en condiciones normales, al presentarse unaque ocu e e co d c o es o a es, a p ese a se u acreciente y aumentar la capacidad de la corriente paraarrastrar material del fondo; a lo largo de todo el cauce seproduce una cierta profundidad de socavacin.

Durante el perodo de recesin de la creciente del ro oarroyo, el material es depositado nuevamente.

La metodologa de clculo para determinar la socavacingeneralizada y aplicada generalmente a proyectos viales esmediante el mtodo de Lischtvan-Levediev. Se recomiendatambin Einstein y Neil.

DRENAJE VIAL

88

Socavacin en puentes

L t d lLos parmetros delmtodo son: el gasto de lacorriente (caudal), eltirante o calado, el reahidrulica, lascaractersticas de losmateriales del fondo, laseparacin y dimensionesp yde los apoyos, entre otros.

Socavacin en puentes

DRENAJE VIAL

89

Mtodos

Mtodos

Suelos no cohesivos

DRENAJE VIAL

90

Mtodos

Suelos cohesivos

Mtodo Lischtvan-Levediev

= coeficiente de seccin dependiente de las caractersticas hidrulicas (S1/2/n) = coeficiente de frecuencia = 0.7929 + 0.0973 Log TrDm = dimetro medio de las partculas del material granular [mm] z = exponente variable en funcin del dimetro medio de la partculas = peso especfico de la muestra agua sedimento [t/m3]s peso especfico de la muestra agua sedimento [t/m ] x = exponente variable que depende del peso volumtrico del material cohesivo seco = Factor de correccin por forma de transporte de sedimentos: -0.54 + 1.5143 s, si s > 1.0 t/m3= Factor de correccin por contraccin del cauceh = Calado de aguaHs= Altura de Socavacin

DRENAJE VIAL

91

Mtodo de Lischtvan-Levediev La hiptesis fundamental del Mtodo de Lischtvan-Lebediev

establece que la distribucin transversal de caudales de unaseccin se mantiene invariable durante todo el proceso erosivo esseccin se mantiene invariable durante todo el proceso erosivo, esas que considerando un lecho granular (arenoso) para un perodode retorno T=100 aos y asumiendo la densidad del aguainvariable.

hcj = [qj / 4,70.D0,28 ]0,71

hcj : Profundidad luego de la erosin vertical en la subseccin j [m],qj : Caudal por unidad de ancho asociado a la franja j [m3/s/m],D: Dimetro caracterstico de las partculas que componen el fondo[m], asumida a d50

DRENAJE VIAL

92

Mtodo de Lischtvan-Levediev Obtencin de parmetros (,x)

Mtodo de Lischtvan-LevedievFranja Abscisa

Cota fondo

(msnm)

Cota max

(msnm)

Calado (m)

Rugosidadn

Ancho (m)

Area (m2)

Radio Hidrulico

(m)

1 0 520 517,9,2 2,35 519 517,9 0,00 0,06 1,18 1,18 0,003 5,47 517 517,9 0,90 0,036 3,15 3,15 0,854 8,65 515 517,9 2.9 0,036 3,14 3,14 2,835 11,75 516.5 517,9 1.4 0,036 4,18 4,18 7,936 17 518 517,9 0.00 0,06 6,58 6,58 0

Franja Abscisa V (m/s) # Froude q (m3/s) hcj (m) Sj (m)

1 0

2 2,35 0,00 0,00 0,0 0,00 0,00

3 5,47 0,00 0,00 0,0 0,00 0,00

4 8,65 1,00 0,47 0,9 3,10 0,20

5 11,75 1,20 0,47 2,3 1,72 0,32

6 17 1,60 0.00 0.00 0.00 0,00

DRENAJE VIAL

93

Mtodo de Lischtvan-Levediev

rea Hidrulica (m) = 872Caudal (m/s)= 2191

Velocidad Crtica (m/s) = 3,59Cota Mxima (m s.n.m) = 517,9

Pendiente (m/m) = 0,001Tirante Mximo (m) = 7.9( )

Ejercicio de Socavacin General Determine la profundidad mxima de socavacin esperada en el

puente de la abscisa del ejemplo anterior, tome en consideracinlos siguientes datos D50 del lecho del ro = 20mm, n Manning= 0.036, Dx =10m Utilice HECRAS en flujo uniforme para el Q mximo encontrado

y para una seccin constante de 100m con la forma siguiente.

Abscisa Cota0 20002.5 19985 19977.5 1996.810 1996.512.5 1996.415 1996.417.5 1996.820 199722.5 199825 2000

DRENAJE VIAL

94

Socavacin LocalLa socavacin local ocurre cuando existe un obstculo en latrayectoria del flujo, el cual induce la formacin de vrtices queprovocan la disminucin de la elevacin del fondo alrededor delpobstculo.

La mayor parte de los mtodos que se emplean en la actualidadestn basados en datos de laboratorio y algunos en campo, loscuales, aparte de ser escasos en nmero, exhiben importanteslimitaciones

Para calcular la socavacin local existen ms de treinta mtodos,Los diferentes parmetros considerados por los mtodos son: elancho de la pila, el tirante, la velocidad y el ngulo de choque, elnmero de Froude y en algunas ocasiones el tamao de la partculadel lecho

Socavacin Local

La mayora de las ecuaciones son aplicables para cauces aluviales yno consideran la posibilidad de que materiales ms gruesos presentesen el lecho sedimenten el hueco de socavacin, lo que disminuira laprofundidad socavada (Mtodos que sobre estiman el resultado final)

DRENAJE VIAL

95

Socavacin Local

Dentro de los mtodos que se aplican frecuentemente se tiene:Adaptacin de Neill (1964), Arunachalam (1965); y Jhonson (1992)

Adaptacin de Neill

ds = 1.5a0.7 h0.3

ds = profundidad de socavacin medida desde el niveldel lecho [m]a = ancho proyectado de la pila [m]h = profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

Socavacin LocalMtodo de Arunachalam

ds = profundidad de socavacin medida desde el nivelds p o u d dad de soca ac ed da desde e edel lecho [m]a = ancho proyectado de la pila [m]q = caudal unitario aguas arriba del puente [m3/s-m]

DRENAJE VIAL

96

Socavacin LocalMtodo de Jhonson

B d f b bil i " l di dBasada en un enfoque probabilstico "para el diseo depuentes seguros, de modo tal que sus fundaciones nofueran socavadas"

ds = profundidad de socavacin [m]h = profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]a = ancho de la pila [m]Fr = Numero de Froude

Cantidades de Obra: Drenaje Vial

Consideraciones:

El rubro de drenaje en sistemas viales constituye unos de loscomponentes mas importantes en el presupuesto de un proyecto vial

Las obras de drenaje tienen un impacto considerable en la ejecucinde obras de mantenimiento y mejoramiento vial.

Consideradas como un factor menor (aunque pueda llegar arepresentar hasta el 40% del valor de la intervencin)representar hasta el 40% del valor de la intervencin)

Todos los componentes de drenaje deben ser evaluados en cantidad,tipo de material, dimensiones y longitudes

DRENAJE VIAL

97


AlcantarillasEstructuras de entrada y salida

(muros de ala y cajn)

DrenajeDimetro

(m) # L (m)

Alcantarilla 1,2 14 194

Cajn H 2 x 2 1 14

Cajn H 2,4x 2,4 1 12

Dimensin m 1,20 2 x 2 2.2x2.2 TotalVol. H (m) 3.2 4.2 4.6 12

# estructuras 28 2 2 32

Total H (m) 89.6 8.4 9.2 107.2

Acero de refuerzo Dimetro 14mm *

(kg)1344 126 138 1608

Caracterstica L (m) A (m) Vol. H (m)

Cunetas 7272 0,084 611

Cunetas (kg)

* De ser el caso necesitan evaluacin estructural

Cantidades de Obra: Drenaje VialSubdrenaje

MaterialAncho

(m)Longitud

(m)Alturas

(m)Area (m)

Volumen (m)

Tubera perforada PVCTubera perforada PVC 150mm 900

Geotextil para subdren 4 900 3600

Geomembrana 1.6 900 1440.0

Material Filtrante 0.6 900 1.2 648

S i L it dRemocin y excavacin de estructuras menores

tem #Seccin

(m)Longitud

(m) TotalRemocin de alcantarillas

DRENAJE VIAL

98


Otros rubrosAncho Longitud Alturas Area Volume

MaterialAncho

(m)Longitud

(m)Alturas

(m)Area (m)

Volumen (m)

Cunetas de coronacin x x x x x

Rpidas x x x x x

Enrocados x x x x x

Gaviones (piedra y malla) x x x x x

Obras de drenaje especiales

Baden: son soluciones efectivas cuando el niveld l t d l t i id lde la rasante de la carretera coincide con elnivel de fondo del cauce del curso natural

Multiplate o Super-Spam: Grandes alcantarillas que transportan un caudal importante en zonas donde se quiere evitar ubicar un puente.

DRENAJE VIAL

99

Obras de drenaje especiales

Badn: Los badenes son depresiones en el perfil de una Badn: Los badenes son depresiones en el perfil de unacarretera que permiten el paso de vehculos y ademsdel flujo de una quebrada que atraviesa la va lasuperficie de rodadura acta tanto como una porcin delcanal como de un tramo corto de una carretera.

La desventaja del Badn es que por lo general implica La desventaja del Badn es que por lo general implicauna reduccin en la velocidad de los vehculos quepasan por dicha estructura.

Baden El perfil de la va debe mantener una transicin suave y

se debe instalar seales que prevengan al conductor dela existencia de un badn para evitar el transito durantelluvias muy intensas y cuando la va se encuentre seca,los vehculos no salten debido al cambio brusco dependiente en los extremos del badn.

El diseo de badenes debe contemplar necesariamentela construccin de obras de proteccin contra lasocavacin y dentellones de cimentacin en la entrada ysalida, as como tambin losas de aproximacin en laentrada y salida del badn.

DRENAJE VIAL

100

Baden: Soluciones Baden Alcantarillas que permitan evacuar flujos

menores en pocas de estiaje y a su vez flujos demateriales slidos en perodos extraordinariosmateriales slidos en perodos extraordinarios

Consideraciones de diseo: Material slido de arrastre,Proteccin contra la socavacin, Pendiente longitudinaly transversal del badn, Borde libre.

Para el diseo hidrulico se idealizar el badn como uncanal trapezoidal con rgimen uniforme (Manning).canal trapezoidal con rgimen uniforme (Manning).Este tipo de flujo tiene las siguientes propiedades:La profundidad, rea de la seccin transversal,velocidad media y gasto son constantes en la seccindel canal.

Baden: Seccin tpica

DRENAJE VIAL

101

DRENAJE VIAL

102

DRENAJE VIAL

103

Super-spamSon estructuras de geometras diversas,formadas por lminas de acerocorrugado de espesor segn proyecto.Las estructuras pueden presentar unrevestimiento y se ensamblan mediantepernos y tuercas tanto en el sentidolongitudinal como perimetral de laestructura, montndonse a zanja abiertadirectamente en su disposicin final.

DRENAJE VIAL

104

Super-spam

Caractersticas:

El proceso de montaje es fcil y rpido.

Provee la vida til requerida para cada proyecto especfico

Galvanizado, Revestimientos Especiales, Revestimiento de Hormign.

Debe ser diseado estructuralmente para garantizar la durabilidad de la estructura.

Hidrulicamente se realiza mediante la formula de Manning para canales

GRACIAS POR SU ATENCINGRACIAS POR SU ATENCIN

MUCHAS GRACIAS

I C i ti C llIng. Cristian Coello

Drenaje Vial 2014-2015

Documents

Transcript of Drenaje Vial 2014-2015