Drenaje y Subdrenaje en Carreteras

0

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. UNIDAD ZACATENCO.

TESIS

DRENAJE Y SUBDRENAJE EN CARRETERAS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

I N G E N I E R O

PRESENTAN:

C I V I L

MARÍN HERNÁNDEZ ELIZABETH PÉREZ CALLEJAS IVETTE MARELI

ASESOR: JUANA JUÁREZ MICETE

México D. F.

AGOSTO, 2014.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

AGRADECIMIENTOS. A mis padres con todo mi cariño y mi amor que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba y la fuerza necesaria cuando estoy sin vitalidad; gracias (Icela Hernández Álvarez y José Luis Marín Cabrera).

A mis hermanos por ser mis guías Patricia, José Luis, Ma. Félix, Tomas, gracias por ayudarme a recorrer este camino que no es difícil pero si muy tedioso.

A mis maestras por su gran apoyo, dirección, paciencia, entrega y motivación con sus palabras de aliento para la elaboración de esta tesis.

CON RESPECTO Y ADMIRACIÓN GRACIAS SERES QUERIDOS GRACIAS AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Mi tesis la dedicó con todo mi amor y respeto.

A ti mamá y papá (Cirila Callejas Hernández y Delfino Pérez Díaz) porque creyeron en mí y me sacaron adelante, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada mí meta, la cual constituye la herencia más valiosa que pude recibir.

Este trabajo es para ustedes ya que estuvieron impulsándome en todo momento a lo largo de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo que me hizo ir hasta el final.

A mis hermanos Oscar, Carlos, Delfino y Lupita gracias por brindarme su apoyo, consejos y sobre todo por ser un claro ejemplo a seguir como persona y profesionista. A mí cuñado por influir con sus lecciones, experiencias y su apoyo incondicional.

Sobrinos Adrián, Juan, Monse y Michelle los quiero mucho y más que verlos como sobrinos saben que son mis hermanitos, gracias por siempre verme como un ejemplo a seguir y por compartir conmigo estos momentos tan felices.

GRACIAS AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL POLITÉCNICO POR CONVICCIÓN Y NO POR CIRCUNSTANCIA.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL .............................................................................................................. i INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... vi ANTECEDENTES .............................................................................................................. ix MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... xiii METODOLOGÍA.............................................................................................................. xvi

CAPÍTULO I: DRENAJE SUPERFICIAL ....................................................................... 1 I.1. Obras provisionales de drenaje ........................................................................................ 4 I.2. Drenaje Longitudinal........................................................................................................ 4 I.2.1. Elementos de canalización ..................................................................................... 5 I.2.1.1. Cunetas ...................................................................................................... 5 I.2.1.1.1. Cuneta de coronación de desmonte ......................................... 6 I.2.1.1.2. Cuneta de coronación del terraplén ......................................... 6 I.2.1.1.3. Cuneta de pie del terraplén ...................................................... 6 1.2.1.1.4. Área hidráulica necesaria ........................................................ 9 I.2.1.1.5. Sección, pendiente y elevación del fondo ............................. 10 I.2.1.1.6. Longitud de la estructura ........................................................ 11 I.2.1.1.7. Proyecto constructivo ............................................................ 11 I.2.2. Elementos de desagüe ......................................................................................... 12 I.2.2.1. Caces y sumideros .................................................................................. 13 I.2.2.1.1. Dimensionamiento .................................................................. 16 I.2.3. Elementos de evacuación .................................................................................... 19 I.3. Drenaje Transversal ....................................................................................................... 20 I.3.1. Premisas para el estudio ..................................................................................... 21 I.3.2. Alcantarillas ........................................................................................................ 22 i

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.3.2.1. Elección del tipo de alcantarilla .............................................................. 23 I.3.2.2. Materiales ............................................................................................... 24 I.3.2.3. Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseño de una alcantarilla ........................................................................................................................... 24 I.3.2.4. Diseño hidráulico .................................................................................... 25 I.3.2.5. Borde libre .............................................................................................. 32 I.3.2.6. Socavación local a la salida de la alcantarilla ......................................... 33 I.3.2.7. Mantenimiento y limpieza ...................................................................... 34 I.3.2.8. Abrasión .................................................................................................. 34 I.3.2.9. Corrosión ................................................................................................ 34 I.3.2.10. Seguridad y vida útil .............................................................................. 35 I.3.3. Badenes ............................................................................................................... 36 I.3.3.1. Material sólido de arrastre ..................................................................... 37 I.3.3.2. Protección contra la socavación ............................................................. 37 I.3.3.3. Pendiente longitudinal del badén .......................................................... 38 I.3.3.4. Pendiente transversal del badén ............................................................ 38 I.3.3.5. Borde libre ............................................................................................ 38 I.3.3.6. Diseño hidráulico .................................................................................. 38 I.3.4. Vados .................................................................................................................. 40 I.3.5. Puentes ................................................................................................................ 41

CAPÍTULO II: DRENAJE SUBTERRÁNEO ................................................................ 44 II.1. Condiciones generales ................................................................................................. 44 II.1.1. Drenes subterráneos .......................................................................................... 44 II.1.2. Relleno de zanjas .............................................................................................. 45 ii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.1.3. Cajas de registro y buzones .............................................................................. 47 II.2. Tipos de subdrenajes ................................................................................................... 49 II.2.1. Capa permeable ................................................................................................ 50 II.2.2. Subdrenes longitudinales ................................................................................... 52 II.2.2.1. Tubería de los subdrenes longitudinales ............................................. 55 II.2.2.2. Condiciones mecánicas ....................................................................... 56 II.2.2.3. Diseño hidráulico del subdrén longitudinal ......................................... 57 II.2.2.3.1. Determinación del flujo de descarga .................................... 57 II.2.2.4. Tubería de descarga ............................................................................. 63 II.2.3. Subdrén transversal ........................................................................................... 65 II.3. Características de los suelos que influyen en el drenaje .............................................. 67 II.3.1. Resistencia a la deformación ............................................................................ 67 II.3.2. Compresibilidad ................................................................................................ 68 II.3.3. Elasticidad ......................................................................................................... 69 II.3.4. Permeablidad .................................................................................................... 69 II.3.4.1. Pruebas de permeabilidad .................................................................... 70 II.3.5. Capilaridad ........................................................................................................ 71 II.4. Métodos de subdrenaje para la estabilización de deslizamientos ................................ 73 II.4.1. Cortinas impermeables ..................................................................................... 73 II.4.1.1. Zanja de “Slurry” ................................................................................. 75 II.4.1.2. Cortinas de geomembrana ................................................................... 76 II.4.1.3. Cortinas de inyecciones ....................................................................... 76 II.4.1.4. Cortinas mezcla de suelo con cemento

............................................... 77

II.4.2. Colchones de drenaje ........................................................................................ 78 II.4.3. Trincheras estabilizadoras ................................................................................. 79

iii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.4.4. Galerías de drenaje ............................................................................................ 79 II.4.5. Pozos verticales de drenaje .............................................................................. 81 II.4.5.1. Pozos verticales con subdrenes de penetración ................................... 82 II.4.5.2. Pozos interconectados ......................................................................... 83 II.4.5.3. Pozos con drenaje por sifón

................................................................ 84

II.4.5.4. Geodrenes verticales ............................................................................ 84 II.4.6. Pantallas de drenaje .......................................................................................... 85

CAPÍTULO III: GEOTEXTILES .................................................................................... 87 III.1. Uso de geotextiles en el subdrenaje ........................................................................... 87 III.1.1. Polímeros para geotextiles .............................................................................. 88 III.1.2. Estructuras de geotextiles ............................................................................... 89 III.1.2.1. No tejidos ........................................................................................... 89 III.1.2.2. Tejidos ................................................................................................ 89 III.1.3. Ventajas en el uso de los geotextiles .............................................................. 90 III.1.4. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en caminos ........................................ 90 III.1.5. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en los suelos base de caminos ........... 92 III.1.5.1. Separación ............................................................................................. 92 III.1.5.2. Refuerzo (Suelos blandos) .................................................................... 92 III.1.5.3. Filtración ............................................................................................... 93 III.1.6. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos sobre suelos blandos .............................................................................................. 93 III.1.6.1. Beneficios ............................................................................................. 94 III.1.6.2. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos ................................................................................................ 94

iv

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

III.1.7. Pasos de diseño de caminos no pavimentados y pavimentados usando geotextil ......................................................................................................................... 95 III.1.8. Lineamientos de instalación del geotextil no tejido ....................................... 95 III.1.9. Geotextiles no tejidos usados en sobre carpetas asfálticas ............................. 97 III.1.9.1. Funciones del geotextil ......................................................................... 97 III.1.9.2. Ventajas ................................................................................................. 97 III.2. Filtración .................................................................................................................... 97 III.2.1. Factores a considerar para aplicaciones de filtración ...................................... 98 III.2.2. Ejemplos de usos de filtros geotextiles no tejidos en caminos ........................ 99

CONCLUSIONES ............................................................................................................. xv RECOMENDACIONES ................................................................................................. xviii BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... xix GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................... xx ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................... xxii ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... xxv

ANEXO A. PRUEBA DE PERMEABILIDAD EN LABORATORIO.

ANEXO B. VALORES DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDADDE MANNING.

v

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

INTRODUCCIÓN.

Desde el principio de la existencia del ser humano ha tenido la necesidad por comunicarse, por lo cual fue desarrollando diversos métodos para la construcción de caminos. La tecnología del drenaje y subdrenaje ha progresado mucho desde los subdrenes franceses de inicio del siglo XX.

Por lo tanto el ingeniero posee varias alternativas y combinaciones para el control, tanto del agua superficial como el agua subterránea. Es por ello que el diseño y construcción de un sistema de drenaje requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrología. El drenaje tiene como propósito la preservación de la carretera, debido a la función social y económica que presenta y el elevado precio de construcción; la prevención del impacto negativo que presenta al ambiente con la reducción al mínimo de los cambios al patrón de drenaje natural y disminución de la acción erosiva producida por el cambio de cauce de su transporte.

La estructura de trabajo es la siguiente:

Capítulo I. En este capítulo se refiere al conjunto de obras destinadas a la recogida de aguas pluviales, su canalización y evacuación a los cauces naturales, sistema de alcantarillado o a la capa freática del terreno, se divide en dos grupos que es el drenaje longitudinal y el drenaje transversal.

Capítulo II. En este capítulo se refiere de los tipos de subdrenaje que se instalan dentro de la estructura del pavimento para drenar el agua así mismo como características del suelo que influyen en el subdrenaje.

Capítulo III. En este capítulo se refiere a la implementación de geotextiles en el drenaje o subdrenaje, además de su diversidad y las ventajas que se obtienen al usarlos en las carreteras.

vi

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

OBJETIVO.

El objetivo del drenaje en los caminos, en primer término es; el reducir al máximo posible la cantidad de agua que de una u otra forma llega al mismo y en segundo término dar salida rápida del agua que llega al camino.

Para que un camino tenga un buen drenaje debe evitarse que el agua circule en cantidades excesivas provocando la destrucción del pavimento y originando la formación de baches, así como también que el agua que debe escurrir por las cunetas, se estanque y reblandezca las terracerías originando pérdidas de

estabilidad de las mismas con sus consiguientes

asentamientos perjudiciales. Debe evitarse también que los cortes, formados por materiales de mala calidad, se saturen de agua con peligro de derrumbes ó deslizamientos según el tipo de material del corte, y debe evitarse, que al agua subterránea reblandezca la sub-rasante con el peligro que este implica.

El prever un buen drenaje es uno de los factores más importantes en el proyecto de un camino y por lo tanto debe preverse desde la localización misma tratando de alojar siempre el camino sobre suelos estables, permanentes y naturalmente drenados. Sin embargo, debido a la necesidad de un alineamiento determinado, el camino puede atravesar suelos variables, permeables e impermeables, obligando a ello la construcción de obras de drenaje de acuerdo con las condiciones requeridas.

vii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

JUSTIFICACIÓN.

La elaboración de esta tesis considera como objetivo principal, dar al lector un conocimiento más amplio de las características, condiciones y métodos que se emplean en la construcción del drenaje y subdrenaje.

HIPÓTESIS.

¿Será posible

que con los elementos de drenaje y subdrenaje se tenga un buen

funcionamiento y durabilidad en la estructura de la carretera?

viii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ANTECEDENTES. 1

Parte importante de las fallas que más comúnmente suelen afectar la obra básica, están estrechamente relacionadas con la respuesta de los suelos al ser expuestos a contenidos de humedad que varían dentro de rangos más o menos amplios. Asimismo, el comportamiento de los pavimentos está fuertemente ligado al contenido de agua en las diversas capas de la estructura.

Las cargas que circulan por los caminos son, en última instancia, soportadas por la obra básica, normalmente conformada por suelos con algún grado de selección, en el caso de terraplenes, y por suelos naturales en las secciones en corte. Asimismo, las capas estructurales no ligadas (bases y sub-bases), que también soportan parte importante de las solicitaciones a que está sometida la ruta, son igualmente suelos.

Las propiedades de los suelos, en especial las de aquéllos con altos contenidos de finos, son extremadamente sensibles al grado de saturación. Al variar la humedad los suelos sufren cambios de volumen, cambia la cohesión y experimentan alteraciones en la estabilidad mecánica, de manera que, en la medida que se logre mantener la humedad dentro de un rango más o menos estrecho, el camino mantendrá una capacidad de soporte más uniforme y estará menos expuesto a los daños que pueden originarse en condiciones ambientales extremas. Los sistemas de drenaje bien diseñados permiten controlar la cantidad de agua presente en los suelos y, en consecuencia, disminuir las probabilidades de fallas imprevistas.

El agua penetra de muchas formas en los suelos que integran la obra básica (subrasante) y capas estructurales del camino, siendo las principales las siguientes:

1

Manual de Carreteras; Mantenimiento Vol. 7 – Carlos Cruz Lorenzen , 2000.

ix

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

•Baches y grietas en el pavimento asfáltico. •Juntas y grietas no selladas o con el sello en mal estado, en pavimentos de hormigón. •Junta abierta entre el pavimento y las bermas. •Sistemas de drenaje de la plataforma insuficientes o en mal estado. •Bermas y carpetas de rodado sin revestir o con revestimientos en mal estado. •Escurrimientos de aguas desde zonas laterales, cuando se carece de elementos interceptores (fosos, contrafosos, cunetas, etc.), o ellos se encuentran obstruidos. •Alcantarillas obstruidas o que filtran. •Ascenso de agua por capilaridad. • Napas subterráneas.

El agua no sólo afecta la obra básica, muchas veces conformada por suelos finos, sino que también tiene un efecto adverso en las capas no ligadas que conforman la estructura del camino. A modo de ejemplo se incluyen a continuación tres casos típicos de suelos muy afectados por un alto contenido de humedad. Las sub-bases de los pavimentos de hormigón están normalmente constituidas por suelos granulares bien graduados y, por lo tanto, menos susceptibles a las variaciones de humedad.

A pesar de ello, cuando alcanzan la saturación, se suele producir el fenómeno conocido como “surgencia de finos”, por el cual el tránsito, al inducir presiones sobre las losas, expulsa agua con finos desde la sub-base hacia la superficie; serias erosiones del material de la sub-base, con lo que pierde parte de su capacidad resistente y la uniformidad del soporte. Donde se produce este fenómeno los pavimentos colapsan muy rápidamente.

x

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

En presencia de agua ciertos suelos finos experimentan una significativa expansión, la que llega a originar deformaciones importantes en la rasante. Normalmente se procura evitar que suelos de estas características queden en los estratos superiores de la obra básica; cuando ello no es posible se deben realizar diseños especiales basados en estudios que consideren esa característica. Existen suelos que, al variar el contenido de humedad, sufren cambios en el nivel de compactación a que se encuentran; la menor densidad involucra menor capacidad para soportar las solicitaciones que se les imponen. El caso más extremo de este fenómeno se produce cuando esos suelos, (suelos heladizos), se encuentran en zonas donde la temperatura suele descender por debajo del punto de congelamiento; allí la pérdida de compacidad puede llegar a ser extremadamente importante y significar el colapso de extensas áreas del pavimento.

En términos generales la resistencia de los suelos está fuertemente relacionada con su contenido de humedad; al aumentar el grado de saturación disminuye la resistencia. En consecuencia, la más alta probabilidad que se produzca una falla se encuentra en el período durante el cual los suelos presentan su mayor contenido de humedad, es decir, durante las precipitaciones y por el tiempo que se demoran en evacuar las aguas absorbidas.

Recientes estudios realizados en el exterior, y ratificados en el país, han permitido comprobar dos condiciones relacionadas con el drenaje que conviene tener presente:

Cuando una carretera dispone de un drenaje adecuado, el contenido de humedad de los suelos que conforman la obra básica varía dentro de márgenes bastante estrechos a lo largo del año, aún en zonas donde existe una marcada diferencia estacional de precipitaciones.

Esta humedad, a veces denominada humedad de equilibrio, no es igual en toda una zona de condiciones ambientales similares, pues ella depende también de las propiedades del suelo. Esto permite concluir que, disponiendo de un drenaje adecuado, las características del soporte de la sub-rasante son bastante constantes durante toda la vida útil de la obra.

xi

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Existe una relación directa entre el mejor comportamiento de un pavimento y la mayor velocidad con que se logra evacuar el agua que, durante las precipitaciones, ingresa a las capas no ligadas, (bases y sub-bases).

El método de diseño AASHTO considera en forma muy especial esta condición, para la que dispone de coeficientes adecuados (coeficientes de drenaje), que hacen variar los espesores de las capas de la estructura de acuerdo con las características del drenaje de esos elementos.

En resumen, cuando una ruta dispone de un sistema de drenaje adecuado, suficiente y que opera correctamente, disminuye substancialmente la probabilidad de fallas y de otros efectos adversos que contribuyan a acortar su vida útil.

xii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

MARCO TEÓRICO.

DRENAJE SUPERFICIAL.

ASPECTOS GENERALES.

El sistema de drenaje de una carretera tiene esencialmente dos finalidades: 

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



Restituir las características de los sistemas de drenaje y/o de conducción de aguas (natural del terreno o artificial construida previamente) que serían dañadas o modificadas por la construcción de la carretera y que sin un debido cuidado en el proyecto, resultarían causando daños, algunos posiblemente irreparables en el medio ambiente.

Las aguas pluviales caídas sobre la calzada sobre los desmontes adyacentes a la misma – en el caso de que existan – hacen necesario disponer elementos específicos destinados a recoger y canalizar tanto longitudinal como transversalmente dichas precipitaciones.

El drenaje es uno de los factores más importantes en el diseño y construcción de Carreteras, tiene por objeto alejar las aguas de la carretera, para evitar la influencia negativa de las mismas sobre su estabilidad y transitabilidad, así como para reducir los gastos de la conservación.

xiii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

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.

DRENAJE SUBTERRÁNEO.

El drenaje subterráneo tiene como principal misión controlar y limitar la humedad de la explanada, así como de las diversas capas que integran el firme de una carretera. Para ello deberá cumplir las siguientes funciones:

-

Interceptar y desviar corrientes subterráneas antes de que lleguen al lecho de la carretera.

-

En caso de que el nivel freático sea alto, debe mantenerlo a una distancia considerable del firme.

-

Sanear las capas de firme, evacuando el agua que pudiera infiltrarse en ellas.

ELEMENTOS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO.

Las recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterráneo en obras de carretera establecen que el proyecto deberá definir con el nivel de detalle que en cada caso proceda, los sistemas de drenaje subterráneo a disponer, justificando convenientemente su elección y adecuación a cada caso.

Se definen a continuación una serie de criterios básicos relativos a los elementos de drenaje subterráneo de más frecuente utilización en obras de carretera. Algunos de ellos son específicos en este tipo de trabajos, mientras que otros son de uso más general; en este último caso se han reflejado los principales aspectos de aplicación dentro del ámbito de este documento.

xiv

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

GEOTEXTILES.

El principal geosintético empleado en esta tesis es el geotextil sus funciones principales:

-

Impedir contaminación entre capas de la estructura por el efecto de las cargas dinámicas y el arrastre del agua.

-

Resistir los esfuerzos de tensión del material disminuyendo los espesores de diseño y los volúmenes de movimiento de tierras.

-

Evitar el taponamiento por colmatación de estructuras de drenaje.

-

Evitar la aparición de grietas por reflexión en la capa de rodadura al actuar como una interfase de separación entre la capa de rodadura nueva y la capa antigua fisurada.

-

Reducir el espesor de las capas estructurales del pavimento.

-

Reducir la formación de huellas y fallas por esfuerzos cortante y asentamientos diferenciales en el pavimento.

-

Conferir mayor durabilidad de la estructura del pavimento.

xv

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

METODOLOGÍA.

Para la elaboración de la presente tesis, se procedió a la elección de un tema después de analizar varias posibilidades, se eligió el tema sobre el drenaje y subdrenaje de las carreteras.

La introducción pretende dar a conocer al lector la necesidad de tener un drenaje y subdrenaje en carreteras y así mismo conocer los objetivos de nuestra investigación.

Para la justificación de la presente tesis fueron tomados en cuenta todas las condiciones y métodos que se emplean en la construcción del drenaje y subdrenaje así como estudiar y comprender el diseño de la construcción de la carretera.

El marco teórico de esta investigación toma su forma, al contar con estudios y teorías relacionas con el mejoramiento y estabilidad del drenaje superficial y subterráneo, así como los geosintéticos (geotextil).

Para finalizar se estableció el orden de los temas abordados en nuestra investigación.

xvi

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

CAPÍTULO I. DRENAJE SUPERFICIAL.

Se define sistema de drenaje de una vía como el dispositivo específicamente diseñado para la recepción, canalización y evacuación de las aguas que puedan afectar directamente a las características funcionales de cualquier elemento integrante de la carretera.

Dentro de esta amplia definición se distinguen diversos tipos de instalaciones encaminadas a cumplir tales fines, agrupadas en función del tipo de aguas que pretenden alejar o evacuar, o de la disposición geométrica con respecto al eje de la vía:

Drenaje Superficial: Conjunto de obras destinadas a la recogida de las aguas pluviales o de deshielo, su canalización y evacuación a los cauces naturales, sistemas de alcantarillado o a la capa freática del terreno. Se divide en dos grupos:

-

Drenaje longitudinal: Canaliza las aguas caídas sobre la plataforma y taludes de la explanación de forma paralela a la calzada, restituyéndolas a sus cauces naturales. Para ello se emplean elementos como las cunetas, caces, colectores, sumideros, arquetas y bajantes.

-

Drenaje transversal: Permite el paso del agua a través de los cauces naturales bloqueados por la infraestructura vial, de forma que no se produzcan destrozos en esta última. Comprende pequeñas y grandes obras de paso, como puentes o viaductos.

Drenaje Subterráneo: Su misión es impedir el acceso del agua a capas superiores de la carretera específicamente al firme, por lo que debe controlar el nivel freático del terreno y los posibles acuíferos y corrientes subterráneas existentes. Emplea diversos tipos de drenes subterráneos, arquetas y tuberías de desagüe.

1

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Criterios de diseño. A la hora de proyectar el drenaje de una carretera deben tenerse presentes una serie de factores que influyen directamente en el tipo de sistema más adecuado, así como en su posterior funcionalidad. Las más destacables son:

Factores Topográficos: Dentro de este grupo se engloban circunstancias de tipo físico, tales como la ubicación de la carretera respecto del terreno natural contiguo en desmonte, terraplén o a media ladera, la tipología del relieve existente llano, ondulado, accidentado o la disposición de sus pendientes en referencia a la vía.

Factores hidrológicos: Hacen referencia al área de la cuenca de recepción y aporte de aguas superficiales que afecta directamente a la carretera, así como a la presencia, nivel y caudal de las aguas subterráneas que pueden infiltrarse en las capas inferiores del firme.

Factores geotécnicos: La naturaleza y características de los suelos existentes en la zona condiciona la facilidad con la que el agua puede llegar a la vía desde su punto de origen, así como la posibilidad de que ocasione corrimientos o una erosión excesiva del terreno. Las propiedades a considerar son aquellas que afectan a su permeabilidad, homogeneidad, estratificación o compacidad, influyendo también la existencia de vegetación.

Una vez considerados estos factores se procede al diseño de la red de drenaje, que deberá cumplir los siguientes objetivos:

-

Evacuar de manera eficaz y lo más importante posible el agua caída sobre la superficie de rodadura y los taludes de la explanación contiguos a ella. Por supuesto, deberán evitar la inundación de los tramos más deprimidos de la vía.

-

Alejar del firme el agua freática, así como los posibles acuíferos existentes, empleando para ello sistemas de drenaje profundo.

2

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

Prestar especial atención a los cauces naturales, tales como barrancos o ramblas, disponiendo obras de fábrica que no disminuyan su sección crítica para periodos de retorno razonables. Debe recordarse que las avenidas son la principal causa mundial de destrucción de puentes.

-

No suponer un peligro añadido para la seguridad del conductor, empleando para ello taludes suaves y redondeando las aristas mediante acuerdos curvos, evitando así posibles accidentes adicionales.

-

También debe cuidarse el aspecto ambiental, procurando que produzca el menor daño posible al entorno.

3

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

DRENAJE SUPERFICIAL.

El drenaje superficial es el que tiende a eliminar el agua que circula sobre el terreno o la carretera, proveniente directamente de la lluvia, escurrideros naturales o aguas almacenadas.

El objetivo principal del drenaje superficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendo la infiltración y evitando la erosión. El sistema de recolección de aguas superficiales debe captar la escorrentía, tanto del talud como de la cuenca de drenaje arriba del talud y llevar el agua a un sitio seguro, lejos del talud que se va a proteger.

El agua de escorrentía debe, en lo posible, desviarse antes de que penetre el área del deslizamiento o se infiltre en dirección al talud. Por otro lado, el agua de las lluvias que cae directamente sobre la superficie del talud, debe ser evacuada lo más rápidamente posible, evitando al mismo tiempo que su paso cause daños por acción de la erosión, almacenamiento e infiltración.

I.1. OBRAS PROVISIONALES DE DRENAJE.

Algunas veces, es importante la construcción de medidas temporales de drenaje superficial después de ocurrido un deslizamiento, para evitar su ampliación o aceleración. Estas obras pueden consistir en diques o canales de tierra, mampostería, concreto o bolsas de polipropileno o fibras vegetales rellenas de suelo, sellado de grietas con arcilla, mortero o asfalto para reducir la infiltración y cubrir el terreno (temporalmente) con plásticos.

I.2. DRENAJE LONGITUDINAL.

El drenaje longitudinal deberá proyectarse como una red o conjunto de redes que recoja el agua de escorrentía superficial procedente de la plataforma de la carretera y de los márgenes que viertan hacia ella y la conduzca hasta un punto de desagüe, restituyéndolas a su cauce natural. Es decir actúa como by- pass, ofreciendo al agua un camino alternativo para que no interfiera con la carretera. Para evitar el impacto negativo de la presencia del agua, en la

4

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

estabilidad, durabilidad y transitabilidad, en esta sección se considerará los distintos tipos de obras necesarios para captar y eliminar las aguas que se acumulan en la plataforma de la carretera, las que pueden provenir de las precipitaciones pluviales y/o de los terrenos adyacentes.

El sistema de drenaje longitudinal lo integran 3 tipos de dispositivos funcionales:

-

Elemento de canalización: Recogen las aguas pluviales.

-

Elementos de desagüe: Alivian el caudal de los anteriores, facilitando la salida de las aguas.

-

Elementos de evacuación: Conducen las aguas hasta su evacuación en un cauce natural.

I.2.1. Elementos de canalización.2

En este apartado se describe la tipología y dimensionamiento de los diferentes elementos que se encargan de la canalización de las aguas en un drenaje longitudinal.

I.2.1.1. Cunetas.

Las cunetas son zanjas longitudinales revestidas o sin revestir abiertas en el terreno, ubicadas a ambos lados o a un solo lado de la carretera, con el objeto de captar, conducir y evacuar adecuadamente los flujos del agua superficial. Las cunetas pueden construirse de diferentes materiales en función de la velocidad de circulación del agua en su seno, magnitud que depende directamente de la inclinación longitudinal de la cuneta, que suele coincidir con la adoptada para la vía.

2

Manual de Carreteras; Elementos Proyecto 1- Luis Bañon Blázquez, 2000.

5

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Una velocidad superior a la tolerable por el material causaría arrastres y erosiones del mismo, reduciendo la funcionalidad de la cuneta. Así, para bajas velocidades no es necesario efectuar ningún revestimiento, mientras que si ésta supera los 4.5 m/s. es necesario revestir las paredes de hormigón.

Otras disposiciones propias de las cunetas son:

I.2.1.1.1. Cuneta de coronación de desmonte.

Se coloca en la parte más alta del desmonte para evitar la erosión y arrastre de materiales que conforman el talud, así como para aliviar parte del caudal que debería recoger la cuneta principal, interceptando la escorrentía de las laderas circundantes.

I.2.1.1.2. Cuneta de coronación del terraplén.

Al igual que las anteriores, evitan que el agua recogida por la calzada penetre en el talud, lo que podría ocasionar arrastres e incluso el desmoronamiento parcial del terraplén. Son de menor tamaño, ya que únicamente deben evacuar el agua recogida en el firme.

I.2.1.1.3. Cuneta de pie del terraplén.

Su misión es recoger las aguas que caen sobre el talud del terraplén y sobre el terreno circundante, sobre todo si su pendiente vierte hacia el propio relleno, ya que podría llegar a erosionar gravemente la base del mismo (figura 1.1), ubicación de los distintos sistemas de recogida de aguas pluviales.

6

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 1.1. Ubicación de los distintos sistemas de recogida de aguas pluviales (Blázquez, Luis Bañón, 2000).

Existen diversos tipos de secciones empleadas en la construcción de cunetas. Si bien es cierto que existen algunas secciones hidráulicamente mejores que otras, no es éste el único cometido que debe procurar la geometría de una cuneta. Sus parámetros de diseño son los siguientes:

-

Sección hidráulica apropiada para la evacuación del caudal máximo previsto para el correspondiente período de retorno, que normalmente se toma entre 5 y 20 años.

-

Garantizar la seguridad de los vehículos que accidentalmente abandonen la vía y penetren en la cuneta. A este efecto, deben evitarse secciones con pendientes abruptas y puntos angulosos, ya que pueden provocar el vuelco del vehículo. Si no puede garantizarse este aspecto, deben protegerse mediante barreras de contención, generalmente biondas.

-

Durabilidad de la infraestructura, empleando materiales adecuados y procurando una cuidada ejecución, de forma que se mantenga operativa con los mínimos costos de mantenimiento y reparación.

7

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

Simplicidad geométrica, de forma que su ejecución sea rápida, barata y eficaz.

Actualmente, se emplean dos tipos de secciones: las triangulares denominadas en V y las trapeciales, representadas simbólicamente con la letra T. Las aristas vivas de dichas secciones deberán suavizarse con acuerdos de al menos 1.50m, de radio (figura 1.2), tipología general de cunetas (Blázquez, Luis Bañón, 2000).

Figura 1.2. Tipología general de cunetas (Blázquez, Luis Bañón, 2000).

8

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.2.1.1.4. Área hidráulica necesaria.

El área por drenar de las cunetas, generalmente se proyectan para que den capacidad a fuertes lluvias de 10 a 20 minutos de duración. Se considera proyectar las cunetas para que tomen del 70 al 80% de la precipitación pluvial de la mitad del ancho total del derecho de vía, sin embargo en algunos casos puedan llegarse al 100%. Las caracteristicas de la cuneta como son; la pendiente, las dimensiones, los taludes y otras, dependen del flujo de agua que conduzcan; dicho flujo se puede determinar con la fórmula para canales abiertos, con flujo uniforme (Manning):

𝑉=

1 1/2 2/3 𝑆 𝑅 𝑛

Dónde: V= Velocidad promedio m/s. n= Coeficiente de rugosidad, adimensional (Tabla 1.1). R= Radio Hidráulico, en m. S= Pendiente.

Además:

𝑄 = 𝑉𝐴 =

𝐴 1/2 2/3 𝑆 𝑅 𝑛

Dónde:

Q= Gasto en m³/s. A= Área de la sección transversal del flujo en m².

La tabla 1.1 presentalos valores representativos del coeficiente de rugosidad (n), para varios revestimientos de canales (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

9

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Tabla 1.1. Distribución superficial de la cuenca por municipio. Tipo de revestimiento

Valor de n

Tierra ordinaria, nivelada y alisada

0.02

Roca partida o piedra tosca

0.04

Concreto áspero

0.02

Revestimiento bituminoso, tendiente a ondularse

0.02

Piedra lisa

0.02

Pasto bien mantenido-profundidad de flujo mayor a 15.24 cm

0.04

Pasto bien mantenido-profundidad de flujo menor a 15.24 cm

0.06

Pasto pesado

0.10

Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

I.2.1.1.5. Sección, pendiente y elevación del fondo.

La tendencia es hacer cunetas tan pequeñas y poco profundas como sea posible, tanto para mayor seguridad como para mayor economía en la construcción y conservación. La practica actual de nuestro país es hacer cunetas en forma de V, suponiendo un tirante de agua de 30 cm y teniendo un talud 1:3 por el lado del camino y por el lado de afuera el talud natural (figura 1.3), cuneta tipo.

Figura 1.3. Cuneta Tipo (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

10

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.2.1.1.6. Longitud de la estructura.

Una cuneta de las dimensiones indicadas, pueden servir satisfactoriamente en longitudes hasta de 600 ó 700 m., en terreno plano y de 300 ó 400 m. en terrenos de cierta pendiente. Estas longitudes se contaran desde una cresta hasta un desfogue, o bien desde una alcantarilla de alivio a otra.

I.2.1.1.7. Proyecto constructivo.

Para que se conserven con facilidad las secciones dadas a las cunetas, es necesario que la velocidad no pase de ciertos valores. La tabla 1.2. presenta los gastos y velocidades en las cunetas tipo para tirantes de agua de 30 cm con diferentes pendientes (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

Tabla 1.2. Gastos y velocidades en las cunetas tipo para tirantes de agua de 30 cm con diferentes pendientes. Pendiente de la cuneta

Velocidad

Gasto en

en %

m/seg.

m³/seg.

1

0.60

0.110

2

0.90

0.117

3

1.10

0.200

4

1.30

0.240

5

1.50

0.270

6

1.60

0.300

7

1.70

0.320

8

1.80

0.340

9

2.00

0.370

10

2.10

0.400

Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

11

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La tabla 1.3.presenta las velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

Tabla 1.3. Velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales.

Material

Velocidad en m/seg.

Arena fina

0.45

Arcilla arenosa

0.50

Arcilla ordinaria

0.85

Arcilla firme

1.25

Grava fina

2.00

Pizarra suave

2.00

Tepetate

2.00

Grava gruesa

3.5

Zampeado

3.4 a 4.5

Concreto

4.5 a 7.5

Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006).

Con la ayuda de estas tablas se puede saber, para distintas pendientes de las cunetas, cuando es necesario protegerlas contra la erosión. Ordinariamente no se necesita zampear cuando la velocidad no pasa de 1.20 m/seg. Cuando hay peligro de que la velocidad crezca demasiado se pueden poner muros interceptores a intervalos adecuados, pero este procedimiento suele ser más costoso, por eso se recomienda recubrir la cuneta con concreto o zampeados, o bien entubar el agua en los tramos especiales dificiles.

I.2.2. Elementos de desagüe.

Al fin de disminuir en la medida de lo posible caudales a evacuar, se disponen una serie de puntos de desagüe a lo largo del elemento de drenaje longitudinal normalmente cunetas de forma que las aguas se reintegren paulatinamente al medio natural causando el menor daño posible. 12

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.2.2.1. Caces y sumideros. Los caces es una franja estrecha situada longitudinalmente en los bordes de la calzada y cuyo cometido es recoger conducir las aguas superficiales y de escorrentía hasta un elemento de desagüe. Dado su reducido tamaño, se emplean únicamente para evacuar pequeños caudales, como los recogidos únicamente en la superficie de la calzada, o en zonas donde el espacio es limitado, como travesías y núcleos urbanos.

Dada su reducida sección hidráulica, desaguan con cierta frecuencia a un colector mediante unos elementos de conexión denominados sumideros ó bajantes. Éstos suelen disponerse en general cada 25 ó 50 m. (figura 1.4), tipos de caces.

Figura 1.4. Tipología de caces (Blázquez, Luis Bañón, 2000).

Los caces desaguan con cierta frecuencia a un colector mediante unos elementos de conexión denominados sumideros o bajantes. Éstos suelen disponerse en general cada 25 ó 50 m., presentando diversas tipologías.

13

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Las zonas idóneas para efectuar el proceso de evacuación son, en función de la zona donde esté emplazada la vía, las detalladas en el siguiente esquema. La tabla 1.4. presenta las zonas adecuadas para el desagüe superficial (Luis Bañón Blázquez, 2000).

La tabla 1.4. Las zonas adecuadas para el desagüe superficial. Entorno ZONA URBANA

Elementos -

Núcleos de Población

Empleo de sumideros e imbornales en los márgenes de las aceras, conectados con el alcantarillado de la propia calle.

-

En grandes ciudades, colectores que desagüen a la red local de alcantarillado.

-

Sistemas separativos de aguas blancas y negras.

ZONA SEMIURBANA

-

Empleo del alcantarillado, si éste existe.

Accesos a Ciudades

-

Caso de no existir, puede desaguarse en cauces naturales cercanos, comprobando previamente su capacidad.

-

Cauces naturales acondicionados artificialmente con colectores de gran diámetro.

ZONA RURAL

-

Vías Interurbanas Fuera de poblado

Empleo de los cauces naturales por los que iría el agua si no existiera la carretera.

-

Cauces acondicionados para evitar fenómenos de erosión excesiva o soterramientos, disponiendo dispositivos disipadores de energía.

-

También suelen emplearse las obras de fábrica que cruzan la carretera: caños, pontones, tajeas, etc.

-

Si existen, pueden desaguarse en corrientes cercanas de agua: ríos, lagos, acuíferos, etc.

Fuente: (Luis Bañón Blázquez, 2000).

La distancia a la que deben situarse estos puntos de desagüe depende de varios factores, entre ellos el caudal transportando o en la sección del elemento de canalización longitud empleado.

14

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Los principales elementos de desagüe superficial empleados en carreteras son los sumideros e imbornales. Estos elementos permiten el desagüe de los dispositivos superficiales de drenaje cauces o cunetas, bien directamente al exterior (imbornales) o por medio de un colector (sumideros). De esta forma, las aguas vuelven a reintegrarse al cauce natural, o son desviadas a sistemas subterráneos de recogida, como la red de alcantarillado en los núcleos de población.

En la elección del tipo y diseño de estos elementos deberán tenerse en cuenta, aun por encima de las consideraciones hidráulicas, factores de seguridad en la circulación y el posible peligro de su obstrucción por acumulación de sedimentos térreos o escombros procedentes de la plataforma y márgenes, lo que haría totalmente inútil su presencia.

Los sumideros presentan diferentes tipologías, a saber:

-

Continuos: El desagüe se realiza de forma interrumpida a lo largo de toda la longitud de la vía.

-

Aislados: La evacuación de las aguas se localizan en determinados puntos, distinguiéndose tres clases de sumideros, en función de su orientación.

-

Horizontales: El desagüe se realiza por su fondo.

-

Laterales: El desagüe se realiza por su pared lateral vertical o cajero.

-

Mixtos: Combina los dos tipos anteriores.

Los sumideros aislados situados en puntos bajos serán generalmente de tipo horizontal, a que poseen mayor capacidad de desagüe que los laterales, aunque pueden obstruirse más fácilmente. Por ello, para evitar la formación de balsas debe disponerse otro sumidero a 5 cm. de altura de aquél o reemplazarse el conjunto por un sumidero mixto.

Asimismo, los emplazados en rasante inclinadas también suelen ser de tipo horizontal, interceptando en el fondo a la cuneta o caz, y con sus barras preferentemente orientadas en 15

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

la dirección de la corriente. Su capacidad de desagüe aumenta con su longitud y con el calado de la corriente aunque disminuye con la velocidad de la misma, que depende directamente de la pendiente longitudinal.

Cada sumidero aislado deberá estar conectado a una arqueta, para así enlazar con el sistema de evacuación formado por los colectores (figura 1.5), tipos de sumideros horizontales empleados en carreteras.

Figura 1.5. Tipos de sumideros horizontales empleados en carreteras (Luis Bañón Blázquez, 2000).

I.2.2.1.1. Dimensionamiento.

Para su dimensionamiento, debe hacerse una distinción entre los sumideros horizontales y los laterales, empleándose distintos métodos de cálculo para determinar su sección:

a) Sumideros laterales: En este tipo de sumideros se puede aumentar su capacidad de desagüe aumentando su profundidad o su longitud (L), que en ningún caso deberá ser inferior a: 𝐿 ≥ 𝑇 ∗ √𝜌/2

16

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Dónde: T= La anchura del elemento de recogida de aguas (caz o cuneta) en m. 𝜌 = La pendiente longitudinal del sumidero en tanto por cien (%).

El máximo caudal que es capaz de desaguar se calcula aplicando dos fórmulas diferentes, según sea la relación entre el calado de la corriente (H) y la altura de la abertura (D). (𝐿∗√𝐻 2 )



Si H ˂ 1.4*D → Fórmula del vertedero → 𝑄 =



Si H ≥ 1.4*D → Fórmula del orificio → 𝑄 = 300 ∗ 𝑆 ∗ √𝐻 − ( 2 )

60

𝐷

Dónde: Q = Es el caudal desaguado en l/s. H= Es la profundidad o calado del agua en cm. L= Es la anchura libre del sumidero en cm. D= Es la altura de la abertura medida en su centro, en cm. S= Es el área del sumidero en m².

b) Sumideros horizontales: Para que sean capaces de interceptar todo el caudal que pase sobre él, será necesario que la longitud libre (L) de las barras no sea inferior a la indicada por la siguiente fórmula: 

Barras paralelas a la corriente → 𝐿 = 9 ∗ 𝑉 ∗ √𝐻 + 𝑑 ≤ 30 𝑐𝑚.



Barras paralelas a la corriente → 𝐿 = 15 ∗ 𝑉 ∗ √𝐻 + 𝑑

Dónde: H= El calado del agua sobre las barras en cm. D= El diámetro o canto de una barra en cm.

17

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

V= La velocidad del agua circulante por la sección de desagüe en m/s.

Para calcular su capacidad de desagüe se emplean las mismas fórmulas empleadas para sumideros laterales, en función de la profundidad del agua:



Si H ˂ 12 cm. → Fórmula del vertedero → 𝑄 =

𝐿∗ √𝐻 3 60

(Se tomará el perímetro exterior de la rejilla como anchura libre).

𝐷



Si H ˃ 40 cm. → Fórmula del orificio → 𝑄 = 300 ∗ 𝑆 ∗ √𝐻 − ( 2 )



Si 12 ≥ H ≤ 40 cm. → Interpolando lineal entre ambas fórmulas.

c) Sumideros mixtos: Este tipo de elementos computarán a efectos hidráulicos únicamente su parte horizontal, calculándose de igual forma que los sumideros horizontales.

La eficiencia de un sumidero se ve mermada con la pendiente longitudinal (J) del caz o cuneta, por lo que debe aplicarse un coeficiente de reducción (γ) de valor:

𝛾=

(1) 1 + 15 ∗ 𝐽

Calidad del desagüe de cada sumidero deberá ser tal que pueda absorber al menos el 70% del caudal de referencia que circule por la cuneta o el caz, sin que la profundidad o anchura de la corriente rebase su límite admisible (considerando un reguardo del 15%), a fin de permitir que, cuando un sumidero esté obstruido, el agua que no penetre en él pueda absorberse sin problemas en los siguientes aguas abajo (figura 1.6), elementos de un sumidero lateral.

18

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 1.6. Elementos de un sumidero lateral (Luis Bañón Blázquez, 2000).

I.2.3. Elementos de evacuación.

Este grupo lo componen aquellos elementos destinados a conducir las aguas desde el punto de desagüe hasta la zona donde serán definitivamente evacuados, bien sea reintegrándose en cauce natural o penetrando en un cauce artificial o en una red de alcantarillado.

Básicamente se diferencian tres tipos de elementos, cuyas funciones son consecutivas y complementarias: bajantes, arquetas y colectores.

Las bajantes son elementos encargados de canalizar las aguas desde el correspondiente elemento de desagüe, sumidero o imbornal hasta el sistema de canalización definitivo. Suelen construirse con piezas prefabricadas cerámicas o de hormigón en forma de artesa, solapándose unas con otras. También se emplean tubos de pequeños diámetros o, si el terreno lo permite, se excavan en él pequeños canales.

Las arquetas, por su parte, son obras de fábrica que se encargan de recibir a las bajantes y enlazarlas con el colector general. Además, facilitan la inspección y

conservación de los

19

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

dispositivos enterrados de desagüe, permitiendo su fácil limpieza y mantenimiento. Suelen colocarse regularmente a distancias no superiores a 50 m., así como en puntos críticos tales como confluencias de tubos, sumideros, drenes y subterráneos, etc. No se permitirá el uso de arquetas ciegas o no registrables.

Los colectores suelen ser grandes tubos a donde van a parar las aguas recogidas por todos los sumideros y canalizadas por las bajantes. Suelen estar hechos de materiales resistentes y durables hormigón, fibrocemento o acero y se les exigen ciertas características que aseguren su resistencia a las presiones de trabajo y a las cargas exteriores, así como una relativa estanqueidad. Su cálculo se efectuará aplicando las expresiones para tubería en carga, fácilmente encontrables en cualquier manual de hidráulica.

I.3. DRENAJE TRANSVERSAL.

La presencia de una carretera interrumpe la continuidad de la red de drenaje natural del terreno laderas, vaguadas, cauces, arroyos, ríos, por lo que debe procurarse un sistema que restituya dicha continuidad, permitiendo su paso bajo la carretera en condiciones tales que perturben lo menos posible la circulación de agua a través de la citada red.

Además las obras de drenaje transversal también se aprovechan para desaguar el caudal recogido por la plataforma y sus márgenes, y canalizado a través de las cunetas.

El drenaje transversal de la carretera tiene como objetivo evacuar adecuadamente el agua superficial que intercepta su infraestructura, la cual discurre por cauces naturales o artificiales, en forma permanente o transitoria, a fin de garantizar su estabilidad y permanencia.

El elemento básico del drenaje transversal se denomina alcantarilla, considerada como una estructura menor, su densidad a lo largo de la carretera resulta importante e incide en los costos, por ello, se debe dar especial atención a su diseño. Las otras estructuras que forman parte del drenaje transversal son el badén y el puente.

20

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

El objetivo principal en el diseño hidráulico de una obra de drenaje transversal es determinar la sección hidráulica más adecuada que permita el paso libre del flujo líquido y flujo sólido que eventualmente transportan los cursos naturales y conducirlos adecuadamente, sin causar daño a la carretera y a la propiedad adyacente.

I.3.1. Premisas para el estudio.

Características topográficas.- Para el caso de obras de cruce menores (alcantarillas), el levantamiento topográfico realizado para la carretera, deberá cubrir aquellos sectores donde se emplazarán dichas obras, de tal manera que permita definir el perfil longitudinal del cauce tanto aguas arriba y aguas abajo de la sección de cruce.

Estudio de cuencas hidrográficas.- Se refiere a la identificación de las cuencas hidrográficas que interceptan el alineamiento de la carretera, con el objetivo de establecer los caudales de diseño y efectos de las crecidas. Se deberá indicar la superficie, pendiente y longitud del cauce principal, forma, relieve, tipo de cobertura vegetal, calidad y uso de suelos, asimismo; los cambios que han sido realizados por el hombre, tales como embalses u otras obras de cruce que pueden alterar significativamente las características del flujo.

Características del cauce.- Se refiere a las características del lecho, tales como forma, tipo de suelo, tipo de cobertura vegetal, tipo de material de arrastre, sólidos flotantes, fenómenos de geodinámica externa y otros factores que inciden en el tamaño y durabilidad de la obra de cruce.

Evaluación de obras de drenaje existentes.- Antes de efectuar la evaluación de las obras de drenaje existentes, el proyectista debe conocer o tomar en cuenta lo siguiente:

-

Nivel de intervención sobre la vía en estudio, tomar en cuenta las conclusiones de los estudios de pre-inversión, para la coherencia del ciclo del proyecto de inversión.

21

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

Contar con las progresivas del proyecto en campo.

-

La evaluación hidráulica de las estructuras existentes, deberá ser complementada con las evaluaciones de un Especialista en Estructuras y Obras de arte, para las evaluaciones del estado estructural de los elementos de una obra de drenaje existente.

-

El resultado de la evaluación de las obras de drenaje será presentado en fichas técnicas de campo.

La evaluación del comportamiento desde el punto de vista hidráulico estructural de estructuras ubicadas aguas arriba o aguas abajo de la estructura proyectada es de mucha utilidad, porque permite contar con información relevante para lograr diseños adecuados, tomando cuenta su funcionamiento ante la presencia de procesos geomorfológicos como erosión, sedimentación u otros fenómenos, a los que han estado sometidas.

I.3.2. Alcantarillas. Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera.

La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construcción y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad. La ubicación óptima de las alcantarillas depende de su alineamiento y pendiente, la cual se logra proyectando dicha estructura siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural.

Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el incremento y disminución de la pendiente influye en la variación de la velocidad de flujo, que a su vez incide en la capacidad de transporte de materiales en suspensión y arrastre de fondo.

22

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

En la proyección e instalación de alcantarillas el aspecto técnico debe prevalecer sobre el aspecto económico, es decir que no pueden sacrificarse ciertas características hidráulicas sólo con el objetivo de reducir los costos. Sin embargo, es recomendable que la ubicación, alineamiento y pendiente que se elija para cada caso, estará sujeta al buen juicio del especialista, quien deberá estudiar los aspectos hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente la solución más adecuada compatible con los costos, operatividad, servicialidad y seguridad de la carretera.

I.3.2.1. Elección del tipo de alcantarilla.

Tipo y sección.

Los tipos de alcantarillas comúnmente utilizadas en proyectos de son; marco de concreto, tuberías metálicas corrugadas, tuberías de concreto y tuberías de polietileno de alta densidad.

Las secciones más usuales son circulares, rectangulares y cuadradas. En ocasiones especiales que así lo ameriten puede usarse alcantarillas de secciones parabólicas y abovedadas. En carreteras de alto volumen de tránsito y por necesidad de limpieza y mantenimiento de las alcantarillas, se adoptará una sección mínima circular de 0.90 m (36”) de diámetro o su equivalente de otra sección, salvo en cruces de canales de riego donde se adoptarán secciones de acuerdo a cada diseño particular.

Las alcantarillas tipo marco de concreto de sección rectangular o cuadrada pueden ubicarse a niveles que se requiera, como colocarse de tal manera que el nivel de la rasante coincida con el nivel superior de la losa o debajo del terraplén.

23

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Generalmente, se recomienda emplear este tipo de alcantarillas cuando se tiene la presencia de suelos de fundación de mala calidad. Es importante instalar alcantarillas permanentes con un tamaño lo suficientemente grande como para desalojar las avenidas de diseño más los escombros que se puedan anticipar. En cauces naturales que presentan caudales de diseño importantes donde la rasante no permite el emplazamiento de una alcantarilla de dimensión considerable, se suelen colocar alcantarillas múltiples, sin embargo, este diseño debe tener en cuenta la capacidad de arrastre del curso natural (palizada, troncos y material de cauce) y su pendiente longitudinal para evitar obstrucciones, recomendándose utilizar obras con mayor sección transversal libre, sin subdivisiones.

En el caso del proceso constructivo de tuberías para alcantarillas múltiples, se recomienda que la separación de los tubos, medida entre las superficies externas, deberá ser tal que facilite la compactación del material de relleno igual a la mitad del diámetro de la tubería con un máximo de 1.0 m y 0.4 m como mínimo.

I.3.2.2. Materiales.

La elección del tipo de material de la alcantarilla depende de varios aspectos, entre ellos podemos mencionar el tiempo de vida útil, costo, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosión, abrasión, fuego e impermeabilidad. En conclusión no es posible dar una regla general para la elección del tipo de material a emplear en la construcción de la alcantarilla, sino que además del tipo de suelo, del agua y principalmente de la disponibilidad de materiales en el lugar.

I.3.2.3. Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseño de una alcantarilla.

A continuación se presentan algunas recomendaciones prácticas y factores que intervienen para el diseño adecuado de una alcantarilla.

24

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

a) Utilizar el período de retorno para el diseño.

b) Para asegurar la estabilidad de la carretera ante la presencia de asentamientos provocados por filtraciones de agua, la alcantarilla debe asegurar la impermeabilidad.

Asimismo, dentro de los factores se mencionan los siguientes:

a) Como factores físicos y estructurales, tenemos: la durabilidad, altura de relleno disponible para la colocación de la alcantarilla, cargas actuantes sobre la alcantarilla y calidad y tipo de terreno existente.

b) Dentro de los factores hidráulicos, tenemos: el caudal de diseño, pendiente del cauce, velocidad de flujo, material de arrastre, pendiente de la alcantarilla y rugosidad del conducto.

c) Otros factores importantes que deben ser tomados en cuenta para la elección del tipo de alcantarilla, son la accesibilidad a la zona del proyecto y la disponibilidad de materiales para su construcción.

I.3.2.4. Diseño hidráulico.

El cálculo hidráulico considerado para establecer las dimensiones mínimas de la sección para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la fórmula de Robert Manning* para canales abiertos y tuberías, por ser el procedimiento más utilizado y de fácil aplicación, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal para una condición de régimen uniforme mediante la siguiente relación. 2

1

𝑅3 ∗ 𝑆 2 𝑉= 𝑛

𝑅=

𝐴 𝑃

25

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

𝑄 = 𝑉𝐴 Dónde:

Q: Caudal (m³/s). V: Velocidad media de flujo (m/s). A: Área de la sección hidráulica (m²). P: Perímetro mojado (m). R: Radio hidráulico (m). S: Pendiente de fondo (m/m). n: Coeficiente de Manning. Para sacar el coeficiente de Manning se toma de la tabla los valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n).

Robert Manning (1816-1897) fue un ingeniero Irlandés, conocido por la creación de la fórmula de Manning. Nació en Normandía, Francia un año después de la batalla de Waterloo, de la que su padre tomo parte.3Manning no recibió ninguna educación o entrenamiento formal acerca de la mecánica de fluidos o la ingeniería en general. Su experiencia en contaduría y su pragmatismo influenciaron su trabajo y lo condujeron a reducir problemas a su más simple forma. Comparó y evaluó siete de las mejores y más conocidas fórmulas de la época. Calculó la velocidad obtenida de cada fórmula para una pendiente dada y un radio hidráulico variable desde 0.25m hasta 30 metros. Entonces, para cada condición, encontró el valor principal de las siete velocidades y generó una fórmula que se ajustaba mejor a los datos obtenidos.

3

Historia de la mecánica de fluidos http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/historiamcafluidossigloxix/historiamcasxix.html.

26

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La primera fórmula fue:

V = 32 [RS(1 + R^(1/3)]^(1/2)

Luego, la simplificó en la siguiente expresión:

V =C R^x S^(1/2)

En 1885, dio a la variable x un valor de 2/3 y reescribió su fórmula así:

V = C R^(2/3) S^(1/2)

En una carta que envió a Flamant, Manning indicó: «El inverso de “C” corresponde aproximadamente al inverso de “n”, tal como lo determinaron Ganguillet y Kutter. Siendo tanto “C” como “n” constantes para el mismo canal».

El 4 de diciembre de 1889, a la edad de 73 años, propuso por primera vez su fórmula al Instituto de Ingenieros Civiles en Irlanda.

Su fórmula vio la luz en 1891, en un periódico escrito por él mismo titulado “On the flow of water in open channels and pipes” (algo así como: “Sobre el flujo de agua en canales abiertos y tuberías”), publicado en Transactions (Revista del Instituto de ingenieros Civiles de Irlanda).

Manning no estaba del todo satisfecho con su ecuación por 2 razones: primero, en esos días era ya de por sí difícil determinar la raíz cúbica de un número; además de eso, tener que elevarla al cuadrado para llegar al índice exponencial 2/3, hacía más difícil el cálculo.

27

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Adicionalmente,

la

ecuación

era

dimensionalmente

incorrecta.

Para

corregirla

dimensionalmente, desarrolló la siguiente ecuación:

V = C * [(gS)^(1/2)]*[(R^(1/2)) + ((0,22/(m^(1/2))) * (R - 0,15m))

Donde “m” era igual a la “altura de la columna de mercurio que equilibra la atmósfera” y “C” era un número adimensional que varía con la naturaleza de la superficie. Sin embargo, en algunos libros de texto de finales del siglo XIX, la fórmula de Manning fue escrita como sigue: V = (1/n) R^(2/3) S^(1/2).

A través de su libro "Handbook of Hydraulics" (“Manual de Hidráulica”), King (1918) impuso el uso masivo de la expresión propuesta por Manning tal cual la conocemos hasta hoy, tanto como la aceptación del coeficiente “C” de Manning como el inverso del coeficiente “n” de Kutter.

En los Estados Unidos, “n” se refiere al coeficiente de rugosidad (fricción) de Manning, o la constante de Manning. En Europa, el coeficiente de Strickler “K” es el mismo “C” de Manning, dicho sea, el recíproco de “n”.

La tabla 1.5. Presenta los valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n) (Ven Te Chow , 1983).

28

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Tabla 1.5. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n).

Fuente: (Ven Te Chow , 1983).

Véase tabla completa en Anexo B.

29

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Se debe tener en cuenta la velocidad, parámetro que es necesario verificar de tal manera que se encuentre dentro de un rango, cuyos límites se describen a continuación. La tabla 1.6 presenta las velocidades máximas admisibles (m/s) en conductos revestidos.

Tabla 1.6. Velocidades máximas admisibles (m/s) en conductos revestidos. TIPO DE REVESTIMIENTO

VELOCIDAD (m/s)

Concreto

3.0-6.0

Ladrillo con concreto

2.5-3.5

Mampostería de piedra y concreto

2.0

Fuente: (Máximo Villon Bejar, HCANALES).

Se deberá verificar que la velocidad mínima del flujo dentro del conducto no produzca sedimentación que pueda incidir en una reducción de su capacidad hidráulica, recomendándose que la velocidad mínima sea igual a 0.25 m/s. Asimismo, se debe tener muy en cuenta la velocidad de flujo a la salida de la alcantarilla, generalmente esta velocidad es mayor que la velocidad de escurrimiento en el cauce natural y debe limitarse a fin de evitar procesos de socavación del cauce aguas abajo de la estructura y no afecte su estabilidad.

La tabla 1.7. Velocidades máximas admisibles (m/s) en canales no revestidos. TIPO DE TERRENO

FLUJO INTERMITENTE (m/s) 0.75 0.75 0.90 1.00 1.20 1.50 1.80

Arena fina (no coloidal) Arcilla arenosa (no coloidal) Arcilla limosa (no coloidal) Arcilla fina Ceniza volcánica Grava fina Arcilla dura ( coloidal) Material graduado (no coloidal) Desde arcilla o grava 2.00 Desde limo a grava 2.10 Grava 2.30 Grava gruesa 2.40 Desde grava a piedras (20cm) 3.00 Fuente: (Manual de Carreteras de California).

FLUJO PERMANENTE (m/s) 0.75 0.75 0.90 1.00 1.00 1.20 1.40 1.50 1.70 1.80 2.00 2.10 2.40

30

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Consideraciones para el diseño. Material sólido de arrastre.

La palizada, material sólido y hasta desperdicios arrojados a los cauces naturales y que son arrastrados por la corriente, son elementos muy perjudiciales si se acumulan en la alcantarilla e inciden en su comportamiento hidráulico. No solamente afecta a la alcantarilla, también afecta las zonas aledañas de la carretera. Consecuentemente, es importante que las carreteras cuenten con un programa de mantenimiento rutinario, a fin de identificar los sectores vulnerables, propensos de ser afectados por este fenómeno.

Durante el diseño de la alcantarilla, se pueden adoptar todo tipo de medidas para evitar estos problemas, en primer lugar se puede evitar la acumulación de palizada y material sólido mediante la construcción de obras adicionales, como disipadores o cámaras especiales que permitan retener sólidos, desperdicios y ramas, para luego efectuar su limpieza. Otra alternativa es dejar pasar los sólidos, desperdicios y ramas mediante la construcción de alcantarillas de mayor sección hidráulica acorde al estudio puntualizado de la cuenca de aporte.

Se recomienda en lo posible, no modificar la pendiente natural del curso de agua a lo largo de la alcantarilla. Las recomendaciones mencionadas anteriormente deben ser analizadas desde el punto de vista económico, ya que pueden:

-

Incrementar el costo de construcción, costo de obras adicionales, así como los costos por trabajos de limpieza y mantenimiento.

En zonas de selva alta en donde las características físicas y geomorfológicas (típicas) sean:

-

Cauces encajonados, en V, inactivos o con flujo permanente de agua.

-

Pendientes entre 5% y 60%, es decir de medianas a fuertes.

31

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

Tipo de suelo: taludes y lecho de material granular, aluviales, coluviales, con matriz fina de arena y limos, gravas y gravillas; es decir vulnerables a erosión pluvial.

-

Tipo de vegetación, arbustica, en taludes.

Estas características, indican que el flujo en los cauces, son flujos de barros, con posibles huaycos menores, debido a que el agua de la lluvia satura el material de los taludes incrementando la masa y reduciendo la cohesión de las partículas, y que son arrastrados con el agua. Así mismo, el caudal sólido es por lo menos 2 veces mayor que el caudal líquido, la velocidad, varía entre 2 y 10 m/s (Prochaska, Santi, 2008).

Se puede considerar en forma práctica, para calcular el orden de magnitud de este caudal sólido, la siguiente fórmula: 𝑄𝑠 = 𝜌 ∗ 𝐴 ∗ 𝑉 Dónde:

Q = Caudal sólido. 𝜌 = 2,650 kg/m³ (densidad promedio del material sólido). A = Área transversal del material sólido retenido. V = Velocidad aproximada del flujo sólido (2 m/s, conservador) (J. Casa franca).

I.3.2.5. Borde libre. El borde libre en alcantarillas es un parámetro muy importante a tomar en cuenta durante su diseño hidráulico, por ello, las alcantarillas no deben ser diseñadas para trabajar a sección llena, ya que esto incrementa su riesgo de obstrucción, afectando su capacidad hidráulica.

32

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Se recomienda que el diseño hidráulico considere como mínimo el 25 % de la altura, diámetro o flecha de la estructura.

I.3.2.6. Socavación local a la salida de la alcantarilla.

Si la velocidad del flujo a la entrada y particularmente a la salida de la alcantarilla es alta, puede producir procesos de socavación local que afecte su estabilidad, por ello, se recomienda la protección del cauce natural mediante la construcción de emboquillados de piedra, enchapado de rocas acomodadas u otros tipos de revestimientos, los cuales deberán extenderse hasta zonas donde la socavación local no tenga incidencia sobre la protección.

Una medida para reducir la velocidad del flujo, es la construcción de aliviaderos de entrada y salida de la alcantarilla en forma escalonada con el objetivo de disipar la energía hidráulica.

A continuación, se presenta la fórmula de Laushey que permite calcular el diámetro medio de los elementos de protección a la salida de alcantarillas en función de la velocidad del flujo.

𝑑50

𝑉2 = (3.1𝑔)

Dónde: 𝑑50 : Diámetro medio de los elementos de protección (m). V: Velocidad media del flujo a la salida de la alcantarilla (m/s). g: Aceleración de la gravedad (m/s²).

33

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.3.2.7. Mantenimiento y limpieza.

Las dimensiones de las alcantarillas deben permitir efectuar trabajos de mantenimiento y limpieza en su interior de manera factible. Es importante realizar estos trabajos con la finalidad que funcionen adecuadamente, tal como se ha previsto en el diseño. Es necesario efectuar un programa de mantenimiento que incluyan inspecciones antes y después de períodos lluviosos para comprobar el estado hidráulico estructural de la obra y obtener datos como marcas dejadas por las crecidas, acumulación de material, depósito de sedimentos, presencia de palizada, socavación de cauce y daños estructurales. Las inspecciones permitirán tomar las medidas correctivas que conlleven al planteamiento de soluciones, necesidad de nuevos diseños, reposiciones o construcción de obras adicionales.

I.3.2.8. Abrasión.

La abrasión es una acción mecánica de rozamiento que consiste en la erosión del material de la alcantarilla por la acción de sólidos flotantes transportados por el cauce natural. Este fenómeno depende del carácter y cantidad de material de arrastre, duración, frecuencia y velocidad del flujo. Es importante tomar en cuenta este fenómeno al momento de elegir el tipo de material del cual estará constituida la alcantarilla.

I.3.2.9. Corrosión.

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno y puede manifestarse como consecuencia de la acción de elementos activos presentes en el suelo, agua o atmósfera.

Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión.

34

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Las condiciones ambientales que contribuyen a la corrosión de alcantarillas son condiciones alcalinas y ácidas presentes en el suelo y en el agua, y la conductividad eléctrica del suelo. El agua con alta salinidad causa intensa corrosión a corto plazo en el acero.

Es importante señalar que cualquier material utilizado en la construcción de alcantarillas expuesto al agua de mar o cuando las alcantarillas se ubiquen en zonas costeras cercanas al mar requieren algún tipo de protección para asegurar su vida útil. Lo mismo, sucede con los ácidos producidos por minas de carbón u otras operaciones mineras.

Se indica, asimismo que los suelos con alto contenido de materia orgánica son nocivos para los metales ya que se corroen.

En el caso de alcantarillas de metal corrugado generalmente se utiliza capas protectoras tales como recubrimientos asfálticos, sin embargo, esta medida muchas veces no es suficiente, por lo que un material de mayor resistencia sería el más adecuado para actuar en medios muy agresivos.

I.3.2.10. Seguridad y vida útil.

El diseño de alcantarillas debe garantizar la adecuada y correcta evacuación del flujo que discurre hacia a la carretera mediante la obtención de diseños hidráulicos adecuados. Existen medidas para prolongar la vida útil de las alcantarillas y mejorar sus condiciones de servicio. Las medidas que se utilizan con mayor frecuencia se mencionan a continuación:

-

Con la finalidad de proteger las alcantarillas constituidas por tubos metálicos corrugados de la presencia de agentes exteriores que puedan afectarlas, se recomienda el uso de recubrimiento asfáltico, de esta manera se logra incrementar su vida útil.

35

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

Cuando las condiciones de exposición son muy agresivas, tales como velocidades excesivas con presencia de elementos abrasivos en el flujo, presencia de aguas salinas o ácidas provenientes de establecimientos mineros, suelos alcalinos y suelos con presencia de turba, el recubrimiento asfáltico no ofrece una protección suficiente, bajo estas condiciones no es recomendable el uso de alcantarillas metálicas, por ello, se recomienda el uso de otros materiales para la construcción de alcantarillas, como concreto de alta resistencia o tubos de alta densidad.

I.3.3. Badenes.4 Las estructuras tipo badén son soluciones efectivas cuando el nivel de la rasante de la carretera coincide con el nivel de fondo del cauce del curso natural que intercepta su alineamiento, porque permite dejar pasar flujo de sólidos esporádicamente que se presentan con mayor intensidad durante períodos lluviosos y donde no ha sido posible la proyección de una alcantarilla o puente.

Los materiales comúnmente usados en la construcción de badenes son la piedra y el concreto, pueden construirse badenes de piedra acomodada y concreto que forman parte de la superficie de rodadura de la carretera y también con paños de losas de concreto armado.

Los badenes con superficie de rodadura de paños de concreto se recomiendan en carreteras de primer orden, sin embargo, queda a criterio del especialista el tipo de material a usar para cada caso en particular, lo cual está directamente relacionado con el tipo de material que transporta el curso natural. Se recomienda evitar la colocación de badenes sobre depósitos de suelos finos susceptibles de ser afectados por procesos de socavación y asentamientos. El diseño de badenes debe contemplar necesariamente la construcción de obras de protección contra la socavación y uñas de cimentación en la entrada y salida, así como también losas de aproximación en la entrada y salida del badén.

4

Manual para el diseño de carretas pavimentadas, 2008.

36

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Dependiendo del tipo de material de arrastre que transporte el curso natural donde se ubicará el badén, se pueden adoptar diseños mixtos, es decir badén – alcantarilla, que permitan evacuar flujos menores en épocas de estiaje y a su vez flujos de materiales sólidos en períodos extraordinarios. La ventaja de las estructuras tipo badén es que los trabajos de mantenimiento y limpieza se realizan con mayor eficacia, siendo el riesgo de obstrucción muy bajo. Consideraciones para el diseño.

I.3.3.1. Material sólido de arrastre. El material de arrastre es un factor importante en el diseño del badén, recomendándose que no sobrepase el perímetro mojado contemplado y no afecte los lados adyacentes de la carretera. Debido a que el material sólido de arrastre constituido por lodo, palizada u otros objetos flotantes, no es posible cuantificarlo, se debe recurrir a la experiencia del especialista, a la recopilación de antecedentes y al estudio integral de la cuenca, para lograr un diseño adecuado y eficaz.

I.3.3.2. Protección contra la socavación.

Es importante que el badén proyectado cuente con obras de protección contra la socavación, a fin de evitar su colapso. Según se requiera, la protección debe realizarse tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura, mediante la colocación de enrocados, gaviones, pantallas de concreto u otro tipo de protección contra la socavación, en función al tipo de material que transporta el curso natural.

Asimismo, si el estudio lo amerita, con la finalidad de reducir la energía hidráulica del flujo a la entrada y salida del badén, se recomienda construir disipadores de energía, siempre y cuando estas estructuras no constituyan riesgos de represamientos u obstrucciones. El diseño del badén también deberá contemplar uñas de cimentación tanto a la entrada como a la salida de la estructura, dichas uñas deberán desplantarse preferentemente sobre material resistente a procesos erosivos.

37

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.3.3.3. Pendiente longitudinal del badén.

El diseño hidráulico del badén debe adoptar pendientes longitudinales de ingreso y salida de la estructura de tal manera que el paso de vehículos a través de él, sea de manera confortable y no implique dificultades para los conductores y daño a los vehículos.

I.3.3.4. Pendiente transversal del badén.

Con la finalidad de reducir el riesgo de obstrucción del badén con el material de arrastre que transporta curso natural, se recomienda dotar al badén de una pendiente transversal que permita una adecuada evacuación del flujo. Se recomienda pendientes transversales para el badén entre 2 y 3%.

I.3.3.5. Borde libre.

El diseño hidráulico del badén también debe contemplar mantener un borde libre mínimo entre el nivel del flujo máximo esperado y el nivel de la superficie de rodadura, a fin de evitar probables desbordes que afecten los lados adyacentes de la plataforma vial. Generalmente, el borde libre se asume igual a la altura de agua entre el nivel de flujo máximo esperado y el nivel de la línea de energía, sin embargo, se recomienda adoptar valores entre 0.30 y 0.50m.

I.3.3.6. Diseño hidráulico.

Para el diseño hidráulico se idealizará el badén como un canal trapezoidal con régimen uniforme. Este tipo de flujo tiene las siguientes propiedades:

-

La profundidad, área de la sección transversal, velocidad media y gasto son constantes en la sección del canal.

38

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-

La línea de energía, el eje hidráulico y el fondo del canal son paralelos, es decir, las pendientes de la línea de energía, de fondo y de la superficie del agua son iguales. El flujo uniforme que se considera es permanente en el tiempo. Aun cuando este tipo de flujo es muy raro en las corrientes naturales, en general, constituye una manera fácil de idealizar el flujo en el badén, y los resultados tienen una aproximación práctica adecuada.

La (figura 1.7), Diseño de un badén en carreteras.

Figura 1.7. Diseño de un badén en carreteras (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, 2008).

39

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

I.3.4. Vados. El cruce a nivel de una carretera a través de un río pequeño se denomina “vado”. Idealmente debe construirse en lugares donde el cruce natural tiene poca altura. La (figura 1.8) Proyección de Vado en un camino.

Para el diseño de vados se recomienda:

-

Para el caso de vados simples de piedra, es conveniente usar grandes fragmentos de roca o piedra bien graduados en la base de la quebrada. Rellenar los huecos con fragmentos pequeños de roca limpia o con grava para proporcionar una superficie de rodadura uniforme. A estas rocas pequeñas se les deberá dar mantenimiento periódico y se remplazarán eventualmente.

-

Usar vados para el cruce de cauces secos o con caudales pequeños durante la mayor parte del año.

-

Ubicar los vados donde las márgenes del curso de agua sean bajas y donde el cauce esté bien confinado.

-

Usar marcadores de profundidad resistentes y bien colocados en los vados para advertir al tránsito de alturas peligrosas del agua.

-

Evitar la construcción de curvas verticales pronunciadas en vados en las que puedan quedar atrapados camiones largos o remolques.

40

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 1.8. Proyección de vado en un camino (Obras de drenaje en camino y el impacto que éstas causan en el entorno, José Francisco Peralta Servín, 2010).

I.3.5. Puentes.5 Los puentes son las estructuras mayores que forman parte del drenaje transversal de la carretera y permiten salvar o cruzar un obstáculo natural, el cual puede ser el curso de una quebrada o un río.

Es importante tener en cuenta que un puente no será estable si no lo es el tramo fluvial comprometido. El río es por naturaleza esencialmente móvil y cambiante. En consecuencia, el estudio de un puente que interactúa con un río no puede independizarse del correspondiente estudio de Hidráulica Fluvial. La estabilidad fluvial, lograda durante cientos o miles de años por el río, puede verse seriamente alterada por la construcción de un puente. La profundidad del estudio hidráulico tiene que depender de ciertas características del puente en particular, como podrían ser: su importancia dentro de la red vial, consecuencias de su falla, costo, tipo de estructura, riesgos aceptables, etc. A las que debe añadirse las correspondientes al río.

5

Obras de drenaje en camino y el impacto que están causan en el entorno, José Francisco Peralta Servín, 2010.

41

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Se definirá como puente a la estructura cuya luz sea mayor o igual a 6.0 m, siguiendo lo establecido en las especificaciones AASHTO LRFD.

La (figura 1.9) Puente librando un arroyo.

Figura 1.9. Puente librando un arroyo (Obras de drenaje en camino y el impacto que éstas causan en el entorno, José Francisco Peralta Servín, 2010).

La (figura 1.10) Alcantarilla típica, losa de concreto.

Figura 1.10. Alcantarilla típica, losa de concreto (Obras de drenaje en camino y el impacto que éstas causan en el entorno, José Francisco Peralta Servín, 2010).

42

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La (figura 1.11) Alcantarilla con losa.

Figura 1.11. Alcantarilla con losa (Obras de drenaje en camino y el impacto que éstas causan en el entorno, José Francisco Peralta Servín, 2010).

Estas obras se presentan regularmente en un terraplén y también en un corte. Son obras necesarias por el claro que se tiene que librar, que en muchos casos son arroyos o ríos que tienen un caudal importante, normalmente un puente tiene una longitud mayor a 6.0 m y se construye de concreto en la mayoría de los casos, aunque también los construyen de estructura de acero.

43

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

CAPÍTULO II: DRENAJE SUBTERRÁNEO.

II.1. CONDICIONES GENERALES. El drenaje subsuperficial o subdrenaje pretende eliminar el agua subterránea, o bien abatir su nivel hasta donde no sea perjudicial a la carretera. El agua que está situada bajo la superficie de la tierra se presenta en corrientes o estancadas. Una vez que se detecta su presencia, habrá que darle el tratamiento necesario para su evacuación.

El nivel del agua subterránea generalmente es paralelo a la superficie del terreno. En terrenos planos o de lomerío suave es necesario averiguar su profundidad, mediante la investigación de campo para definir las zonas que en realidad necesitan subdrenaje. El subdrenaje es de suma importancia, pues el exceso de agua o humedad es altamente perjudicial, ya que ocasiona baches, grietas y deslaves, así como la inestabilidad en el material de los taludes.

Los objetivos de subdrenaje de las carreteras son: 

Facilitar la ejecución de las explanaciones durante la fase de construcción de la carretera.



Aumentar la capacidad portante de la subrasante y reducir el espesor del pavimento.



Contribuir en la estabilidad de los taludes mediante la orientación favorable de los flujos de aguas internas.

II.1.1. Drenes subterráneos. El dren subterráneo estará constituido por una zanja en la que se colocará un tubo con orificios perforados, juntas abiertas, o de material poroso. Se rodeará de un material permeable, material filtro, compactado

adecuadamente, y

se aislará de las aguas

44

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

superficiales por una capa impermeable que ocupe y cierre la parte superior de la zanja. Figura (2.1) se muestra como está constituido un dren subterráneo. (Manual para el diseño de carretera pavimentadas, dren subterráneo, 2014).

Figura 2.1. Constitución de un dren subterráneo (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, proyeccion de dren subterráneo, 2014).

Las paredes de la zanja serán verticales o ligeramente inclinadas, salvo en drenes transversales o en espina de pez en que serán admisibles, incluso convenientes, pendientes más fuertes. En casos normales, el talud máximo no superará el valor 1/5. II.1.2. Relleno de zanjas. Cuando el fondo de la zanja se encuentre en terreno impermeable, para evitar la acumulación de agua bajo la tubería se preverá la colocación de una capa de material, perfectamente apisonado, y que puede ser del mismo terreno, alrededor del tubo, sin que alcance el nivel de las perforaciones, o se asentará sobre un solado. En caso de tuberías con juntas abiertas, estas pueden cerrarse en su tercio inferior y dar a la capa impermeable el espesor correspondiente. Si el fondo de la zanja se encuentra en terreno permeable, no son necesarias las anteriores precauciones.

45

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La composición granulométrica del material permeable, material filtro, con el que se rellene, la zanja del dren requiere una atención especial, pues de ella depende su buen funcionamiento. Si dn es el diámetro del elemento de suelo o filtro tal que n % de sus elementos en peso son menores que dn deben cumplirse las siguientes condiciones: a) Para impedir el movimiento de las partículas del suelo hacia el material filtrante. 

d15 del filtro / d85 del suelo < 5.



d50 del filtro / d50 del suelo < 25.

En el caso de terreno natural de granulometría uniforme, se sustituirá la primera relación por: d15 del filtro / d85 del suelo < 4. b) Para que el agua alcance fácilmente el dren: d15 del filtro / d15 del suelo > 5. c) Para evitar el peligro de colmatación de los tubos por el material filtro. • En los tubos con perforaciones circulares: d85 del filtro / diámetro del orificio del tubo > 1.0 • En los tubos con juntas abiertas: d85 del material filtro / ancho de la junta > 1.2 • En los tubos de concreto poroso, se debe respetar la siguiente condición: d85 del árido del dren poroso / d85 del filtro < 5. En caso de terrenos cohesivos, el límite superior para d15 del filtro se establecerá en 0.1 mm. Cuando sea preciso, deberán utilizarse en el proyecto dos o más materiales de filtros.

46

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Ordenados estos desde el terreno natural a la tubería, deben satisfacer, cada uno con respecto al contiguo, las condiciones exigidas anteriormente entre el material filtro y el suelo a drenar. El último, que será el que rodea el tubo, deberá satisfacer, además, las condiciones que se han indicado en relación con el ancho de las juntas o diámetro de los orificios de dichos tubos. Para impedir cambios en la composición granulométrica o segregaciones del material filtro por movimiento de sus finos, debe utilizarse material de coeficiente de uniformidad (d60/d10) inferior a 20, cuidadosamente compactado. Figura (2.2) se proyecta el dren subterráneo(Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, proyeccion de dren subterráneo, 2014).

Figura 2.2. Dren subterráneo (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, proyeccion de dren subterráneo, 2014).

II.1.3. Cajas de registro y buzones.

En los drenes longitudinales, se proyectarán, a intervalos regulares, cajas de registro o buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del drenaje y sirvan

47

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

para evacuar el agua recogida por la tubería del dren, bien a un colector principal, bien a una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terraplén, a una vaguada natural o a otros dispositivos de desagüe. Con independencia de lo anterior, deberán colocarse cajas de registro o buzones en todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje.

La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en general entre 80 m y 100 m y dependerá de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de desagüe, de la disposición general del drenaje y de los elementos naturales existentes. En el caso de salida libre de la tubería de desagüe de la caja de registro o el buzón a una cuneta, etc. se cuidará que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las protecciones necesarias para impedir su aterramiento, inundación, entrada de animales, etc.

Figura (2.3) muestra la caja de registro y sus dimensiones (Manual para el diseño de carreteras, caja de registro, 2014).

Figura (2.4) se observa un buzón y las partes que lo constituyen (Manual para el diseño de carreteras, 2014).

Figura 2.3. Caja de registro (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

48

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.4. Buzón de registro (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

II.2. TIPOS DE SUBDRENAJES.

El subdrenaje es indispensable cuando al efectuar los cortes en los taludes o en la terracería brota agua. Por lo tanto hay necesidad de proyectar un drenaje parecido al superficial estableciendo conductos para que el agua escurra y salga o para que se abata el nivel subterráneo.

Se acostumbra clasificar a los sistemas de drenaje subsuperficial en tres categorías generales: 

Drenes longitudinales.



Drenes transversales.



Capa permeable.

49

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.2.1. Capa permeable.

La capa permeable se coloca bajo la superficie pavimentada, constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda de una pendiente transversal adecuadas y unas correctas instalaciones de salida, pueda drenar el agua:

Que se infiltre desde la superficie.

Que provengan de las bermas. Que ascienda por supresión desde los niveles inferiores.

Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la estructura del pavimento. Figura (2.5) se muestra la capa permeable (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

Figura 2.5. Capa permeable (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

50

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

El manto drenante puede ocurrir: contra un subdrén longuitudinal, contra el talud lateral hacia el exterior (no es recomendable, por que se pueden provocar contaminaciones en el talud durante las operaciones de construcción y mantenimiento).

La capa permeable puede ser:

La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones drenantes y estructurales. se emplea para drenar el agua proveniente de la superficie y se aplica preferentemente en la construcción de pavimento rígido.

Una capa adicional sobre la subrasante, sin función estructural o como parte de la subbase, para el control de agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este caso

la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la superficie, la

permeabilidad de las capas superiores deben de ser mayor que la tasa de infiltración para que el agua pueda fluir. Figura (2.6) se muestra la base como capa permeable y capa permeable bajo la subbase o como parte de ella (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

Figura 2.6. Capa permeable y capa permeable bajo la subbase o como parte de ella (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

51

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.2.2. Subdrenes longitudinales.

Son zanjas paralelas a la dirección de la vía, en la cual se colocan materiales permeables (agregados pétreos, geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería. Figura (2.7) se muestra como se construye un subdrén longitudinal.

Figura 2.7. Subdrén longitudinal.

Los subdrenes longitudinales se emplean para:

1. Cortar el agua subterránea, impidiendo que alcancen las inmediaciones del pavimento. La figura (2.8) muestra la disposición general que deben tener los drenes subterráneos (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

52

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.8. Disposición general que deben tener los drenes subterráneos (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por filtraciones a través de su superficie. La figura (2.9) muestra el encauce del agua por filtración en el pavimento (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

Figura 2.9. Encauce del agua por filtración en el pavimento (Manual para el diseño de carreteras pavimentadas, subdrenes longitudinales, 2014).

53

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una profundidad conveniente del nivel superior de la explanación. Figura (2.10) se observa el nivel freático en un pavimento (Manual para el diseño de carretera pavimentadas, dren subterráneo, 2014) .

Figura 2.10. Nivel freático (Manual para el diseño de carretera pavimentadas, dren subterráneo, 2014).

Características de los subdrenes longitudinales.

Deben de tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir toda el agua que reciba.

Si están unidos con una base permeable, su material de relleno debe de ser el mismo de la base para asegurar su capacidad. Además debe llevar una tubería. Cuando el subdrén va unido a una base permeable, puede estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto en geotextil. El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua.

54

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.2.2.1. Tubería de los subdrenes longitudinales.

Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa o plástico.

Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar con juntas abiertas o perforaciones que permitan la entrada del agua en su interior. Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del agua a través de sus paredes. Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tiene orificios circulares o ranuras para el mismo fin. Los orificios circulares o ranuras de la tubería perforadas se disponen de preferencia a la mitad inferior de los tubos.

Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que se introduzca el material granular del subdrén dentro de los tubos perforados. Figura (2.11), se indica la disposición que deben satisfacer los orificios de tuberías perforadas en la mitad inferior de la superficie del tubo (Consideraciones sobre el drenaje de los pavimentos, disposición de orificios en una tubería perforada, 2014).

En los Estados Unidos los subdrenes horizontales generalmente se construyen con tubería PVC de calibre 80 de acuerdo con la norma ASTM D 1785. La tubería es de 1.5 pulgadas de diámetro interno y 1.9 pulgadas de diámetro externo, con uniones soldadas con solventes de 10 o 20 pies de longitud6.

6

Obras de drenaje y subdrenaje, Jaime Suárez, 2009.

55

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.11. Orificios de tuberías perforadas en la mitad inferior de la superficie del tubo (Consideraciones sobre el drenaje de los pavimentos, disposición de orificios en una tubería perforada, 2014).

II.2.2.2. Condiciones mecánicas.

Los tubos cerámicos o de concreto, plásticos, aceros corrugados tendrán una resistencia mínima, medida en el ensayo de los tres puntos de carga, de 1000 Kg. /m. Tabla 2.1 se muestra cuando los tubos hayan de instalarse en la vertical de las cargas del tráfico, se situarán, como mínimo, a las profundidades que se señalan (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

Tabla 2.1 Profundidades mínimas para la tubería de subdrenes longitudinales. Profundidad mínima Tipo de tubo ᵩ = 15 cm ᵩ = 30 cm Cerámica

50

90

Plástico

50

75

Concreto

50

75

Concreto armado

60

Acero corrugado: Espesor 1.37 mm

30

30

Espesor 1.58 mm Fuente: (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

56

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La figura (2.12) se observa la tubería longitudinal (Manual para el diseño de carreteras, 2014).

Figura 2.12. Tubería longitudinal (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

II.2.2.3. Diseño hidráulico del subdrén longitudinal.

II.2.2.3.1. Determinación del flujo de descarga.

El subdrén debe de ser diseñado de manera que la tasa del flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios de descarga.

Existen tres aproximaciones para el calcúlo del flujo de descarga del sistema de subdrenaje.

57

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

1. Tasa de descarga de la infiltración del pavimento. 2. Tasa de descarga de la base permeable. 3. Tasa de descarga del tiempo para drenar. 

Método de velocidad de descarga del tiempo para drenar.

Qp=(WLHNeU)(1/ tD)*24 Dónde:

Qp= Caudal de diseño por el conducto (pie ³/dia). W= Ancho de la base permeable (pies). L= Espaciamiento entre tubos de descargas (pies). H= Espesor de la base (pies). Ne= Porosidad efectiva. U= Porcentaje drenado (expresado como decima).l tD= Tiempo de drenaje (horas).

Capacidad de la tubería circular.

Se puede determinar con la formula de Manning. Q=(53.01 𝑫𝟖/𝟑 𝑺𝟏/𝟐 )/ n Dónde:

Q= Capacidad de la tubería. D= Diámetro de tubería. S= Pendiente longitudinal. n= Coeficiente de rugosidad Manning. n=0.012 para tubería lisa. n=0.024 para tubería corrugada.

58

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Capacidad de la tubería circulante.

Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de la rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar.Tabla 1.2 presenta los valores de K para diferentes diámetros de tubería y coeficiente de rugosidad. Q=K𝑺𝟏/𝟐

Tabla 2.2. Valores de K para diferentes diámetros de tubería y coeficiente de rugosidad. Diametro de la tuberia Coeficiente de rugosidad (pulgadas) (n) 0.012 3 4 6

0.024

82699 41349 178102 89051 525105 262553 Fuente: (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

Espaciamiento entre tubos de descarga (L). 

Método de velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento.

En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto. 𝐪𝐢 𝐖 𝐋 = 𝐊𝐒 𝟏/𝟐

Despejando (L) 𝐊𝐒𝟏/𝟐

L= 𝐪𝐢 𝐰

59

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS



Método de la velocidad de descarga de la base permeable.

En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto. 𝑲𝑺𝑹 𝑯𝑳 𝑪𝑶𝑺(𝑨) = 𝑲𝑺𝟏/𝟐 Dónde: ( L)

𝑳=



𝑲𝑺𝟏/𝟐 𝑲𝑺 𝑹 𝑯 𝑪𝑶𝑺(𝑨)

Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar.

En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto.

(𝑾 ∗ 𝑳 ∗ 𝑯 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝑼) (

𝟏 ) ∗ 𝟐𝟒 = 𝑲𝑺𝟏/𝟐 𝒕𝑫

Despejando: (L)

𝑳=

𝑲𝟏𝟏/𝟐 𝒕𝑫 𝟐𝟒 ∗ 𝑾 ∗ 𝑯 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝑼

Determinación de la sección transversal del subdrén.

El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiante hidráulico es unitario (i=1) y que el caudal de diseño del subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable (qd), lo que permite llegar a: 𝒒𝒅

W= 𝑲

60

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Henry Philibert Gaspard Darcy7 nació el 10 de junio de 1803 en Dijon, Francia. En 1821 a la edad de 18 años Darcy ingresó a la Escuela Politécnica de París. Dos años más tarde fue admitido en la Escuela de Puentes y Caminos, lo que le permitió conseguir un empleo en el Departamento de Puentes y Caminos. En 1834 a 1940 trabajó en un proyecto de abastecimiento de agua a la ciudad de Dijon, construyendo un sistema de distribución de agua presurizado que conducía 8 m³/min desde Rosoir Spring a través de 12,7 Km de acueductos a un reservorio de 5.700 m³ ubicado cerca de la ciudad, el cual alimentaba una red de distribución de 28.000 m de tuberías. Todo el sistema estaba enterrado y conducido por gravedad, sin requerir bombas o filtros. En 1847 el agua entubada llega a todos los pisos de todos los edificios de Dijon, transformando así a esta ciudad en la segunda ciudad de Europa en lo que se refiere a abastecimiento de agua, después de Roma. Por 1848 fue Jefe de Ingeniería en el departamento de Canal de Borgoña, pero debido a presiones políticas fue obligado a abandonar Dijon. Sin embargo, pronto asumió como Director Jefe de Aguas y Pavimentos, en París. Allí realizó importantes investigaciones en hidráulica, especialmente sobre el flujo y pérdidas por fricción en tuberías, que sirvió de base para la ecuación de Darcy-Weibasch sobre flujo de agua en tuberías. En 1855 y1856 realizó experimentos en columnas de suelo para establecer lo que más adelante sería conocida como Ley de Darcy; inicialmente la desarrolló para describir el flujo a través de arenas, pero ha sido generalizada para diferentes situaciones y con amplio uso hasta el día de hoy. Darcy falleció de neumonía el 13 de enero de 1858, durante un viaje a Paris y está sepultado en Dijon.

7

Historia de la mecánica de fluidos http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/historiamcafluidossigloxix/historiamcasxix.html.

61

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Aportaciones fundamentales: 

En 1856, pública un tratado sobre la red de distribución de Dijon titulado "Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon", en el cual aparece como un apéndice de su informe la fórmula que desde entonces lleva su nombre (Ley de Darcy). De esta fórmula se deduce una unidad de medida: un Darcy, correspondiente a la permeabilidad de un cuerpo asimilable a un medio continuo e isótropo, a través del cual, un fluido homogéneo con viscosidad igual a la del agua a 20 °C se desplaza a la velocidad de 1 cm/s bajo un gradiente de presión de 1 atm/cm.



En 1857 publica otro tratado relacionado con sus investigaciones experimentales del movimiento del agua en tuberías que permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería, se conoce como ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación ampliamente usada en hidráulica.



Mejoró el diseño del tubo Pitot que permite calcular la presión total (suma de la presión estática y la presión dinámica) midiendo la velocidad del viento en aparatos aéreos y las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales.



También realizó experimentos de campo en canales abiertos para determinar relación entre velocidad, área y pendiente.



Como ingeniero civil se encargó del proyecto del Canal de Borgoña, proyectando y construyendo el sistema de suministro de agua potable a Dijon y una parte del ferrocarril París -Lyon.

62

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.2.2.4. Tubería de descarga.

Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases permeables.

Puede ser métalica o rígida de PVC sin perforaciones y debe de ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén, debiendo tener el mismo diámetro de ésta. La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros).

Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10 años. Figura (2.13) se muestra un esquema general de la tuberia de descarga (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014). Figura (2.14) se muestra un cabezal de salida en una carretera (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

Figura 2.13. Esquema general de una tubería de descarga (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014) .

63

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura (2.14) se muestra un cabezal de salida en una carretera (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

Figura 2.14. Cabezal de salida en una carretera (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

La figura (2.15) son ejemplo de drenes longitudinales en carreteras a media ladera y en trinchera, respectivamente (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

Figura 2.15. Drenes longitudinales en carreteras a media ladera y en trinchera, respectivamente (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

64

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.2.3. Subdrén transversal.

En carreteras de montaña, los drenes longitudinales pueden no ser suficientes para interceptar todo el agua de filtración.

En estos casos, deberá instalarse drenes interceptores transversales normales al eje de la carretera o un drenaje en espina de pez.

La distancia entre drenes interceptores transversales será, por término medio, de 20 m a 25m. La figura (2.16) El drenaje en espina de pez se proyectará de acuerdo con las siguientes condiciones: (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

El eje de las espinas formará con el eje de la carretera un ángulo de 60º.

Las espinas estarán constituidas por una zanja situada bajo el nivel del plano superior de la explanada. Sus paredes serán inclinadas, con talud aproximado de 1/2, para repartir, al máximo, el posible asiento diferencial. Las zanjas se rellenarán de material filtro.

Las espinas llevarán una cuna de concreto de baja resistencia o arcilla unida al solado del dren longitudinal.

Las espinas consecutivas se situarán a distancias variables que dependerán de la naturaleza del suelo que compone la explanada. Dichas distancias estarán comprendidas entre 6 m, para suelos muy arcillosos, y 28 m para suelos arenosos.

65

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Con independencia de la pendiente longitudinal de la carretera, se recomienda utilizar drenes en espina de pez al pasar de corte cerrado (trinchera) a terraplén, como protección de éste contra las aguas infiltradas procedentes de la trinchera (corte cerrado). La Figura (2.17) Dren transversal en forma de espiga de pez (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

Figura 2.16. Drenaje en espina de pez (Manual para eldiseño de carreteras, 2014).

Figura 2.17. Dren de intersección transversal (Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos, 2014).

66

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS QUE INFLUYEN EN EL DRENAJE.

Para el buen diseño del subdrenaje es necesario conocer el tipo de suelo, sus propiedades y su comportamiento. Esto se consigue con una adecuada clasificación de suelo.

II.3.1. Resistencia a la deformación.

Es la oposición que presenta los suelos a la penetración y el desplazamiento al ser sometido a cargas. Esta resistencia depende del esfuerzo cortante en el que influyen dos propiedades mecánicas: la cohesión y fricción interna.

La cohesión es la cualidad por la cual las partículas del terreno se mantienen unidas en virtud de fuerzas internas, que dependen, entre otras cosas del número de puntos de contacto que cada partícula tiene con sus vecinas. En consecuencia, la cohesión es mayor cuanto más finas son las partículas del terreno. Figura (2.18) muestra la cohesión en suelos (Estructura y cohesión del suelo, 2014).

Figura 2.18. Cohesión en suelos (Estructura y cohesión del suelo, 2014).

67

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

La fricción interna es la resistencia presentada por las partículas del suelo al deslizarse unas sobre otras; se debe a la presencia de partículas de arenas gruesas y de partículas de rocas trituradas. Es importante en el verano, cuando la cohesión proporcionada por la arcilla y por la humedad, decrece considerablemente. Por eso se requiere la presencia de partículas angulosas en los materiales para carreteras. Figura (2.19) muestra la fricción interna en suelos (Ángulo de rozamiento interno, 2014).

Angulo de reposo

Figura 2.19.Muestra la fricción interna en suelos (Ángulo de rozamiento interno, 2014).

II.3.2. Compresibilidad.

La compresibilidad se refiere a la reducción de volumen de un suelo motivada por la aplicación de una presión exterior.

Todos los materiales experimentan deformaciones cuando se someten a condiciones de carga. El análisis de deformaciones de suelos es bastante complejo ya que los esfuerzos que se inducen dentro de él es un problema sin solución exacta a la fecha; así mismo los parámetros de compresibilidad de los depósitos del suelo son difíciles de determinar o medir experimentalmente además de la no homogeneidad y anisotropía del medio, complica el análisis y cálculo del asentamiento. Figura (2.20) se muestra la compresibilidad en el suelo

68

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

(Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, compresibilidad, 2014).

Rodillo Suelo

Figura 2.20. Muestra la compresibilidad en el suelo (Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, compresibilidad, 2014).

II.3.3. Elasticidad.

La elasticidad de los suelos, puede definirse como la propiedad de volver a recuperar su posición original, cuando han sido comprimidos y se ha removido la carga que causa la deformación. Los suelos no son completamente elásticos, pudiendo variar apreciablemente esta propiedad según el suelo de que se trate.

II.3.4. Permeabilidad. La permeabilidad de un suelo se refiere a su capacidad para permitir el paso de una corriente de agua a través de su masa.

69

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Cuando el ingeniero geotecnista prevea que se presentara un flujo de agua dentro de la masa del suelo de su obra, es conveniente que garantice que el agua fluya bajo el régimen laminar a velocidades realmente pequeñas, de lo contrario se presentara el fenómeno conocido como régimen turbulento caracterizado por la generación de vórtices que se presentan por la fricción entre las moléculas del agua cuando estás rebasan cierta velocidad de desplazamiento; este comportamiento puede generar, entre otros riesgos, el arrastre de granos de suelo que tiene como consecuencia la formación de tubos dentro de la masa de suelo efecto conocido como tubificación. Figura (2.21) se puede mostrar la permeabilidad en el suelo (Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, permeabilidad, 2014).

Permeabilidad

Agua

Suelo

Figura 2.21. Muestra la permeabilidad en el suelo (Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, permeabilidad, 2014).

II.3.4.1. Pruebas de permeabilidad.

En la medida de lo posible el coeficiente de permeabilidad es más conveniente determinarlo de una prueba directa que otras técnicas menos precisas, para ello se crearon básicamente 3 pruebas aplicables según el suelo de que se trate, las cuales son:

70

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

a) Permeámetro de carga constante. b) Permeámetro de carga variable. c) Prueba in situ.

En el anexo 1 se muestra la prueba de permeabilidad en laboratorio.

II.3.5. Capilaridad.

La capilaridad es la propiedad de los suelos de absorber agua por contacto con una fuente adyacente de este líquido y transmitirla en todas direcciones sin importar la intensidad y la dirección de la fuerza de gravedad. La fuerza que ocasiona este escurrimiento de agua, es la tensión superficial o atracción molecular de láminas delgadas de agua se definen como tensión capilar.

Si un suelo tiene una gran capilaridad, presenta una dificultad enorme para ser drenado y si se acumula un exceso de agua, se producirán cambios volumétricos perjudiciales.

En general los suelos constituidos por material muy fino tienen una gran capilaridad y solo se comportaran satisfactoriamente, si pueden ser protegidos convenientemente contra grandes cantidades de humedad. En cuanto al comportamiento de suelos, el grado de consolidación, es una propiedad que ejerce influencia importante en sus resistencias a las deformaciones y a la penetración del agua.

El peso volumétrico del material o su porcentaje de vacíos, dan idea del grado de consolidación. Figura (2.22) se observa la capilaridad en los suelos (Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, capilaridad, 2014).

71

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.22. Capilaridad en los suelos (Propiedades de los Materiales / Principios del Movimiento de Tierras, capilaridad, 2014).

La clasificación del suelo es básica para los fines del subdrenaje, pues el comportamiento es distinto si es suelo arcilloso, arenoso, mezcla de dos, si está constituido por grava o canto rodado, si es limo, o bien pantanoso.

Los suelos arcillosos son malos y de difícil drenaje por que conservan y al mejorarse se hacen plásticos e inestables. En cambio cuando estos suelos están mezclados con arena son excelentes.

Los suelos arenosos son inestables por su falta de cohesión y por lo tanto solo se pueden usar en terraplenes cuando se les protege y aísla de la corriente de agua.

72

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.4. MÉTODOS DE SUBDRENAJE

PARA LA ESTABILIZACIÓN DE

DESLIZAMIENTOS. II.4.1. Cortinas impermeables.8

Las cortinas impermeables profundas tienen por objeto impedir que el agua subterránea alcance la zona de inestabilidad potencial. Figura (2.23) se muestra como se constituye una cortina impermeable (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina impermeable, 2014).

Figura 2.23. Esquema de una cortina impermeable (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina impermeable, 2014).

Las barreras impermeables se han utilizado con frecuencia para impedir el paso de contaminantes, y en los últimos años su uso se ha extendido a la estabilización de deslizamientos. Figura (2.24) se muestra el uso de una cortina impermeable para evitar un deslizamiento (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina impermeable, 2014).

8

Deslizamientos: Técnicas de remediación – Jaime Suárez. 73

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.24. Cortina impermeable para estabilizar un deslizamiento (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina impermeable, 2014).

Las pantallas subterráneas pueden consistir en zanjas profundas rellenas de arcilla, asfalto o concreto, tablestacados, cortinas de inyecciones o líneas de bombeo de agua que emplean hileras de pozos verticales. En el diseño de las cortinas se deben considerar los efectos que tiene el cambio del régimen de aguas subterráneas sobre las áreas adyacentes.

Este sistema produce un aumento del nivel freático y el represamiento del agua subterránea arriba de la pantalla y su utilización debe complementarse con la construcción de subdrenes para controlar los efectos negativos.

Construcción de cortinas impermeables.

Para la construcción de las cortinas impermeables se han empleado los siguientes sistemas:

74

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.4.1.1. Zanjas de “Slurry”. La técnica de las cortinas construidas que usan zanjas de “Slurry”, consiste en muros de concreto construidos como una serie de paneles, con el empleo de excavadoras verticales Figura ( 2.25) se observa la construcción de las pantallas Slurry (Obras de drenaje y subdrenje, zanja Slurry, 2014). En el proceso de excavación se utiliza “Slurry” de Bentonita para impedir el derrumbe de las excavaciones. Una vez terminada la excavación de cada panel, se coloca el refuerzo y se funde el concreto. Estos paneles generalmente tienen un ancho de 2 a 5 metros y un espesor de 60 centímetros a un metro. La profundidad depende de las necesidades del proyecto, del tipo de equipo y la calidad de los materiales y se conoce de pantallas construidas en zanjas de “Slurry” con profundidades hasta de 30 metros (Cornforth, 2005). Otra alternativa es la construcción de cortinas compuestas por una mezcla de suelo y Bentonita en reemplazo del concreto. También se han utilizado mezclas de cemento y Bentonita o de concreto con Bentonita.

Figura 2.25. Construcción de pantallas Slurry (Obras de drenaje y subdrenje, zanja Slurry, 2014).

75

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

II.4.1.2. Cortinas de geomembrana.

Con relativa frecuencia, se han construido pantallas impermeabilizantes utilizando geomembranas, las cuales son telas impermeables elaboradas con geosintéticos. La mayoría de estas telas son elaboradas con polietileno de alta densidad (HDPE).

También se han utilizado geomembranas de PVC, polipropileno y de asfalto. El método constructivo, generalmente consiste en excavar zanjas con retroexcavadora, colocar la geomembrana y rellenar nuevamente con el material excavado. El espesor de la tela varía de 30 a 100 “mils”. Un “mil” equivale a una milésima de pulgada. Por lo general, si se utiliza tela de 30 “mils” ésta se coloca doble. Si se emplea tela de mayor espesor, puede colocarse en una capa sencilla.

Se debe tener cuidado de que no se rompa la geomembrana durante la colocación y que los traslapos sean completamente impermeables. Es común que se presenten fugas de agua en las pantallas de geomembrana y que la mayoría de esas pantallas no sean 100% impermeables.

II.4.1.3. Cortinas de inyecciones.

Las cortinas de inyecciones se construyen perforando líneas de huecos poco espaciados, en los cuales se inyectan a presión, productos impermeabilizantes. Éstos se traslapan formando una cortina figura (2.26) (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina de inyeccion, 2014). Como productos de inyección se usan lechada de cemento, polímeros u otros productos químicos de baja plasticidad que penetran dentro de los poros del suelo.

76

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.26. Traslape de inyección (Obras de drenaje y subdrenaje, cortina de inyeccion, 2014).

En los deslizamientos se emplean inyecciones para impedir el paso del agua en los depósitos de materiales aluviales de grava y arena gruesa e igualmente, en los depósitos de bloque de roca. El objetivo, generalmente, es impedir el paso del agua a través de los mantos permeables hacia el deslizamiento.

II.4.1.4. Cortinas mezcla de suelo con cemento.

Estas pantallas consisten en columnas perforadas, en las cuales se mezcla el suelo del sitio con cemento para formar una pared enterrada impermeable. El proceso incluye la perforación de un hueco inicial de aproximadamente 6 pulgadas de diámetro y la iniciación de un proceso de mezcla de suelo con cemento que va de abajo hacia arriba figura (2.27) (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014). Existen varias técnicas para la construcción de pantallas de mezcla de suelo con cemento, con Bentonita y con otros aditivos. Los suelos ideales para mezclas profundas son las gravas, las arenas y los limos, aunque también, se pueden realizar mezclas con arcilla.

Generalmente, se debe tener en cuenta que no es viable este tipo de mezclas cuando hay bloques de roca o cuando los suelos son demasiado duros.

77

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.27. Construcción de una pantalla mezcla suelo cemento (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

II.4.2. Colchones de drenaje. A las capas de material drenante que se colocan debajo de los terraplenes, después de remover los suelos sueltos, generalmente, se les conocen como colchones de drenaje. Figura (2.28) Colchones de drenaje (Obras de drenaje y subdrenaje, colchones de drenaje, 2014).

Figura 2.28. Diagramas de colchones de drenaje colocado debajo de un terraplén (Obras de drenaje y subdrenaje, colchones de drenaje, 2014).

78

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Normalmente, consisten en una capa de material grueso permeable de 20 a 50 cms de espesor, envuelto por dos mantos de geotextil. En ocasiones, se colocan mangueras o tuberías perforadas para la recolección del agua captada por el colchón de drenaje. II.4.3. Trincheras estabilizadoras.9

Las trincheras estabilizadoras son zanjas profundas y anchas construidas frecuentemente, con maquinaria pesada de movimiento de tierras que en su fondo y/o paredes laterales, lleva un colchón de filtro, un dren interceptor o un sistema de drenes tipo Espina de pescado. La zanja se rellena posteriormente, con enrocado o con material común de acuerdo con las necesidades específicas del caso. Generalmente, la trinchera se excava a profundidades superiores a las de la superficie de falla.

Este tipo de subdrenes ocasionalmente, no ha tenido éxito porque al excavar se activan deslizamientos de tierra de gran magnitud. El sistema de trinchera trabaja como un dren interceptor profundo y en su diseño deben tenerse en cuenta los requisitos de este tipo de drenes. La trinchera estabilizadora se puede diseñar como una llave de cortante profundizándola por debajo de la superficie de falla y utilizando su capacidad de resistencia al cortante para aumentar el factor de seguridad.

II.4.4. Galerías de drenaje.

La galería de drenaje es un túnel cuyo objetivo específico es disminuir las presiones de poros y controlar las corrientes profundas de agua subterránea en un talud. El uso de galerías de drenaje es para mejorar las condiciones de estabilidad de los taludes, para el caso de presiones muy altas de poros y es común para la estabilización de los grandes deslizamientos. Figura (2.29) (Obras de drenaje y subdrenaje, galeria de drenaje, 2014).

9

Deslizamientos: Técnicas de remediación – Jaime Suárez. 79

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.29. Túnel de drenaje para estabilizar el deslizamiento del estribo (Obras de drenaje y subdrenaje, galeria de drenaje, 2014).

Las galerías de drenaje son empleadas especialmente, en los grandes proyectos hidroeléctricos. Los túneles de drenaje para la remediación de deslizamientos normalmente se excavan por métodos manuales, iniciando en la salida inferior del túnel, de forma similar como se hacen los túneles para los proyectos de minería.

Si el material del talud es autoportante, no se requieren entibados, pero es común que se coloquen travesaños y apoyos de madera, en las zonas donde se presentan problemas para la estabilidad del túnel.

Ocasionalmente, se puede necesitar elementos de soporte en concreto armado o una estructura metálica. Cuando una galería es construida en materiales meteorizados, hay que colocar un soporte permanente, en forma de concreto lanzado reforzado. En este caso, la pantalla de concreto debe estar colocada sobre un sistema de drenaje diseñado con sus respectivos lloraderos para facilitar el proceso de salida del agua que se va a drenar.

Generalmente, los túneles para la estabilización de los deslizamientos se dejan expuestos a la atmosfera. Sin embargo, en ocasiones los túneles se rellenan con grava que actúa como filtro y elemento de contención interna. En algunos países las medidas de

80

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

seguridad exigidas por los códigos dificultan o imposibilitan la construcción de túneles para la estabilización de los deslizamientos. Como alternativa a la excavación manual, se pueden utilizar máquinas tuneleadoras para microtúneles (MTBM), las cuales se manejan generalmente a control remoto. Estas máquinas son similares a las grandes máquinas tuneleadoras con una cabeza que corta y un sistema de excavación y retiro de los materiales. Las microtuneleadoras presentan muchos problemas cuando se encuentran grandes bloques de roca dura, o cuando aparecen mantos blandos de limo, arena o grava.

II.4.5. Pozos verticales de drenaje.

Los pozos verticales de drenaje son perforaciones verticales abiertas que tratan de aliviar las presiones de poros cuando los acuíferos están confinados por materiales impermeables como puede ocurrir en las intercalaciones de lutitas y areniscas. La principal función de los pozos verticales de drenaje o de alivio de presiones, es la disminución de las presiones de poros en mantos profundos que no pueden alcanzarse utilizando drenes de zanja o drenes horizontales (Figura 2.30) (Obras de drenaje y subdrenaje, pozo vertical de drenaje, 2014).

Figura 2.30. Pozos verticales con subdrenes de penetración en el terraplén de una carretera (Obras de drenaje y subdrenaje, pozo vertical de drenaje, 2014).

81

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

El pozo es perforado mediante un equipo estándar para la construcción de pilas. Algunas veces, se pueden necesitar entibados para prevenir el derrumbe de las paredes o la colocación de una pared metálica o tubo vertical. Los subdrenes verticales de gravedad son objeto de limitaciones de tipo ambiental, debido a que pueden transferir agua de un acuífero a otro pero en algunos países, esta práctica no se permite.

II.4.5.1. Pozos verticales con subdrenes de penetración.

Los pozos verticales con drenes horizontales para captar el agua alrededor de una circunferencia de gran diámetro, (Figura 2.31) son muy eficientes (Obras de drenaje y subdrenaje, 2014).

Figura 2.31. Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una vía (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

En esta técnica se construye un pozo vertical y dentro de éste, se colocan en forma radial, grupos de drenes horizontales (Figuras 2.32) (Obras de drenaje y subdrenaje, 2014).

82

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.32. Principio de un sistema de pozo vertical con drenes horizontales para estabilización de deslizamientos (Obras de drenaje y subdrenaje, 2014).

Los drenes horizontales conducen el agua al pozo vertical y pueden ser desaguadas bien sea por gravedad o por bombeo.

Los pozos que drenan por gravedad generalmente, son más eficientes y requieren menor mantenimiento que los pozos que drenan por bombeo. Por la razón anterior, se recomienda que los pozos verticales no sean demasiado profundos para permitir el drenaje por gravedad.

II.4.5.2. Pozos interconectados.

La utilización de grupos de pozos verticales que drenan por gravedad ha aumentado en los últimos años, debido a que adicionalmente al efecto de drenaje, ayudan al control de asentamientos de consolidación en los casos de los terraplenes sobre suelos blandos (Holtz, 1991). El sistema consiste en la construcción de drenes horizontales que interceptan el sector inferior de los pozos verticales. Esta tecnología ha sido utilizada con éxito en Italia (Bruce, 1992). La tecnología Rodren aplicada en Italia, consiste en pozos verticales de diámetros entre 1.5 y 2.0 metros espaciados 5.0 a 8.0 metros e interconectados en su base por un tubo colector. Los drenes colectores se instalan

83

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

mediante la perforación de drenes horizontales dentro del diámetro del pozo vertical. Este sistema de drenaje permite drenar a grandes profundidades sin necesidad de perforar zanjas continuas y además, es accesible para la inspección y el mantenimiento.

II.4.5.3. Pozos con drenaje por sifón.

El uso de los sistemas de sifón para el drenaje de los pozos verticales, también ha sido usado, pero existen dudas serias sobre su funcionalidad con el tiempo (Figura 2.33) (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

Figura 2.33. Pozos verticales de sub-drenaje utilizando un sistema de bombeo y sifón (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

La utilización de drenes verticales con bombeo, aunque es empleada universalmente, presenta los problemas de mantenimiento y operación del sistema de drenaje.

II.4.5.4. Geodrenes verticales.

Los geodrenes verticales se usan generalmente para facilitar el asentamiento de los suelos blandos, pero también se pueden utilizar para aliviar las presiones artesianas y de esta forma, aumentar la resistencia del suelo.

84

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Los geodrenes generalmente contienen un sistema conductor interno en tubería o geomembrana y un geotextil alrededor. El núcleo plástico es un sistema de canal interno con perforaciones para la entrada del agua.

Los geodrenes verticales se colocan por sistemas de martillo, rotación o presión y existen máquinas especializadas para esta labor. La principal dificultad con estos drenes es la presencia de bloques de roca dura que impiden su colocación. II.4.6. Pantallas de drenaje.

Las pantallas de drenaje son estructuras similares, en apariencia, a un muro de contención, las cuales se colocan sobre la superficie del talud con el objetivo principal de impedir que se produzca erosión, ocasionada por las ex filtraciones de agua subterránea (Figuras 2.34) (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

Figura 2.34. Ejemplos de subdrenes de pantalla (Obras de drenaje y sub-drenaje, 2014).

Las pantallas de drenaje pueden cumplir algunos de los siguientes objetivos:

85

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS



Evitar la formación de cárcavas de erosión en los sitios de afloramiento de agua.



Captar el agua aflorante y conducirla.



Servir de contrapeso para la estabilidad general de la masa del talud.



Conformar el talud mejorando sus condiciones de estabilidad y estética.



Actuar como estructura de contención propiamente dicha.

Las pantallas de drenaje constan de tres elementos básicos:

1. Filtro sobre la superficie del talud: Este filtro puede ser material granular o geotextil con material grueso, el cual se coloca cubriendo toda el área de exfiltraciones. El filtro debe cumplir las especificaciones indicadas para filtros en los subdrenes de zanja. El espesor de la capa del filtro generalmente es superior a 30 cms o puede emplearse un geotextil que cumpla especificaciones como filtro. Es muy importante que se tenga un control estricto para garantizar que el material utilizado como filtro, no tenga más del 3% de finos y de esta manera facilitar, el flujo del agua.

2. Estructura de contención o retención: Esta estructura tiene por objeto mantener en su sitio, al filtro y ayudar a la contención de la masa de suelo sobre la cual actúa el gradiente hidráulico, al aflorar el agua. La estructura de contención puede ser un muro en gaviones, enrocado, muro criba, etc.

3. Subdrén colector: Este subdrén se coloca en el pie del talud para recoger el agua captada por la pantalla y conducirla a un sitio seguro.

86

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

CAPÍTULO III: GEOTEXTILES.

Los Geotextiles son, como su nombre lo indica, textiles permeables sintéticos, en su gran mayoría resistentes a la tensión, al punzonamiento y con excelentes propiedades hidráulicas. Existen dos tipos de geotextiles: no tejidos y tejidos, cada uno especialmente fabricado con propiedades específicas que se ajustan a las diferentes aplicaciones dentro de cada proyecto. Los principales usos de los geotextiles tejidos son la conformación de estructuras en suelo reforzado, la separación y estabilización de subrasante en vías y cimentaciones; por su parte, los geotextiles no tejidos se utilizan en separación, drenaje y filtración, protección de geomembranas y repavimentación. Figura (3.1) se muestra el uso de geotextil en carreteras (Catálogo funciones aplicaciones de geotextiles, 2014).

Figura 3.1. Geotextil (Catálogo funciones aplicaciones de geotextiles, 2014).

III.1. USO DE GEOTEXTILES EN EL SUBDRENAJE.

El geotextil es un material textil permeable de estructura plana usado como parte integral de los suelos y cimentaciones en aplicaciones relacionadas a proyectos de ingeniería.

87

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Los geotextiles se han convertido en las capas filtrantes más adecuadas porque superan las desventajas de los filtros de arena y los de agregados pétreos.

Para empezar, se fabrican ya con propiedades hidráulicas específicas y de retención de tierra, las cuales pueden seleccionarse fácilmente para complementar el suelo que necesite protección. Segundo, pueden instalarse con facilidad sobre taludes – aún bajo el agua. Figura (3.2) se observa la colocación de un sistema de subdrenaje tradicional (Catálogo funciones aplicaciones geotextiles, 2014).

Figura 3.2. Sistema de subdrenaje tradicional (Catálogo funciones aplicaciones geotextiles, 2014) .

III.1.1. Polímeros para geotextiles.

La mayoría de los geotextiles disponibles y más comunes en el mercado se fabrican ya sea con poliéster o con polipropileno.

El polipropileno es más ligero que el agua (gravedad especifica de 0.9), resistente y muy durable. Los filamentos de polipropileno y las fibras del mismo material se usan en la manufactura de fibras geotextiles tejidas y no tejidas.

88

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Las fibras y tejidos de poliéster de alta resistencia también se usan en la manufactura de geotextiles. El poliéster es más pesado que el agua, tiene excelente resistencia y propiedades de deslizamiento, además es compatible con los materiales naturales más comunes.

III.1.2. Estructuras de geotextiles.

Hay dos tipos o estructuras principales de geotextiles: tejidos y no tejidos. Otras técnicas de manufactura, por ejemplo la unión por medio de costuras, ocasionalmente se emplean en la fabricación de productos especiales.

III.1.2.1. No tejidos.

Los geotextiles no tejidos se fabrican ya sea con fibras cortas (generalmente de 1 a 4 pulgadas de longitud) o con filamentos continuos distribuidos al azar en capas sobre una banda en movimiento para formar una especie de “panal“, el cual se pasa a través de un telar de agujas y/o por otro tipo de máquina para entrelazar o unir las fibras/filamentos. Los geotextiles no tejidos son altamente recomendables para el drenaje de subsuelo y para el control de la erosión, así como para la estabilización de caminos sobre suelos húmedos o saturados.

III.1.2.2. Tejidos.

El tejido es un proceso de entrelazados de hilos para fabricar una tela. Los geotextiles tejidos se hacen tejiendo monofilamentos, multifilamentos o fibras de películas cortas. Las fibras de películas cortas posteriormente pueden subdividirse en cintas planas y tejidos fibrilados (o tejidos como tela de araña). Hay dos pasos en este proceso de fabricación de un geotextil tejido: primero, la manufactura de los filamentos o el corte de la película para obtener tejidos; y segundo tejer los hilos para obtener el geotextil. Las telas de películas cortas se usan generalmente para control de sedimentos, por ejemplo cortinas de retención, y para estabilizar caminos, pero es una alternativa poco recomendable para usarse en drenaje de subsuelo y en control de erosión. Aunque los tejidos de cinta plana de películas cortas son bastante resistentes, forman una tela que tiene una permeabilidad relativamente baja (pobre).

89

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Por otra parte, las telas hechas con cintas fibriladas tienen una menor permeabilidad y aberturas más uniformes que los productos hechos con cintas planas.

III.1.3. Ventajas en el uso de los geotextiles.

-Presentan una alternativa más económica comparada con métodos constructivos tradicionales.

-Son versátiles, flexibles, resistentes y se adaptan a las irregularidades de las superficies y condiciones donde se colocan.

-Son de fácil, rápido manejo, aplicación y no requieren equipo especializado.

-Tienen una amplia variedad de aplicaciones en la construcción y aumentan la vida útil de las instalaciones.

III.1.4. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en caminos.

Superficies Pavimentadas:

-Entre el subsuelo y capas de estructura del pavimento de carreteras, estacionamientos y aeropuertos.

-Sobre superficies deterioradas de concreto hidráulico ó carpetas asfálticas en colocación de sobre carpetas de asfalto.

Superficies no Pavimentadas:

-Entre el subsuelo y base de caminos no pavimentados.

90

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

General

- Filtro envolvente en subdrenes (dren ciego ó dren francés) para eliminación de presencia de agua en las capas de caminos.

- Capa de rompimiento de capilaridad entre el terreno y capas de caminos para evitar humedecimiento de la estructura del pavimento.

-Protección de socavación en puentes. Figura (3.3) se muestra como se coloca el geotextil no tejido en caminos (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, aplicación de geotextiles no tejidos en caminos, 2014).

Figura 3.3. Geotextiles no tejido en carreteras (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, aplicación de geotextiles no tejidos en caminos, 2014).

91

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

III.1.5. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en los suelos base de caminos.

III.1.5.1. Separación.

Evita la migración indeseable de los finos del terreno hacia la base, y también evita la incrustación de los agregados de la base en la subrasante. Mantiene integra la base con lo cual se asegura su buen funcionamiento prolongando la vida útil del camino. Figura (3.4) se observa cómo actúa un pavimento sin y con geotextil ante una carga (Catálogo funciones aplicaciones de geotextiles, 2014).

Figura 3.4. Sección transversal de una estructura sin y con geotextil de separación (Catálogo funciones aplicaciones de geotextiles, 2014).

III.1.5.2. Refuerzo (Suelos blandos).

Los geotextiles proveen refuerzo por medio de posibles mecanismos como:

Restricción al desplazamiento lateral y confinamiento del material de la base y subrasante a través de fricción y amarre entre el agregado, el suelo y el geotextil, proporcionando rigidez y distribuyendo mejor las cargas. Aumento en la capacidad

92

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

portante del sistema al causar que la superficie de falla por capacidad carga se extienda más y se desarrolle en un plano mayor resistencia al cortante. Figura (3.5) se muestra cómo actúa de manera estructural y de confinamiento el geotextil en un suelo blando (Catálogo funciones aplicaciones de geotextil, 2014).

Figura 3.5. Geotextil como elemento estructural (Catálogo funciones aplicaciones de geotextil, 2014).

III.1.5.3. Filtración.

El geotextil previene que los finos migren hacia el agregado debido a las altas presiones de poro inducidas por las cargas dinámicas de las ruedas y al mismo tiempo permite el paso del agua para disipar presiones hidrostáticas.

III.1.6. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos sobre suelos blandos.

-Separación y filtración de suelos.

-Refuerzo (V.R.S < 3%). 93

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

-Restricción desplazamiento lateral.

-Aumento capacidad portante, disminución de deformaciones.

III.1.6.1. Beneficios.

- Reducir la sustitución de suelos blandos que se consideran inadecuados para la construcción tradicional de un camino.

- Reducir el espesor y mantener la integridad de la base necesaria para el camino.

- Reducir el asentamiento diferencial del camino, lo cual permite mantener la integridad, uniformidad y servicio del pavimento.

- Prolongar el costo de mantenimiento y prolongar la vida útil del pavimento.

III.1.6.2. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos.

Figura 3.6. Geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos. (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, separación de camino, 2014).

94

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

III.1.7. Pasos de diseño de caminos no pavimentados y pavimentados usando geotextil.

- Determinar la capacidad de carga del suelo.

- Estimar la intensidad de tránsito y cargas por rueda esperadas en la vida útil del camino.

- Establecer profundidad de deformación aceptable para diseño de caminos no pavimentados.

- Diseñar espesor de pavimento. Para método AASHTO aplicar factor apropiado para tipo y calidad de capas de pavimento, y factor de contribución del geotextil.

- Checar criterio de filtración del geotextil.

- Determinar requerimientos de sobrevivencia del geotextil: o Tabla de valores mínimos establecidos por AASHTO M288.

- Especificar lineamientos y requerimientos de construcción.

III.1.8. Lineamientos de instalación del geotextil no tejido.

1. Aplicar el Geotextil no tejido sobre superficies lisas, libres de objetos que puedan dañar al geotextil.

2. El Geotextil puede desenrollarse a mano o utilizando algún equipo adaptado para esta función, evitando en lo posible las arrugas.

3. La unión o traslape no debe ser menos de 30 cms. o la indicada por especificaciones de diseño, también pueden usar uniones cosidas o grapadas.

4. El Geotextil no se puede fijar al suelo por medio de anclas o broches, ó piedras lisas.

95

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

5. El material no debe ser pisado directamente por equipos de construcción. Debe existir una capa de 20 ó 30 cm. de relleno para proteger el material de estos equipos y proporcionar confinamiento.

6. Es recomendable no tener expuesto el material geotextil al sol por más de quince días. Figura (3.7) se muestra paso a paso los lineamientos de instalación de un geotextil no tejido (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, lineamiento de instalacion de geotextil no tejido, 2014).

Figura 3.7. Lineamientos de instalación del geotextil no tejido (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, lineamiento de instalacion de geotextil no tejido, 2014) .

96

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

III.1.9. Geotextiles no tejidos usados en sobrecarpetas asfálticas.

Los Geotextiles no tejidos pueden aplicarse sobre pavimentos deteriorados de concreto asfáltico o hidráulico en colocación sobre la carpetas asfálticas.

III.1.9.1. Funciones del geotextil.

Impermeabilización: Al ser impregnado con asfalto forma una barrera impermeable que protege de la humedad a la estructura del pavimento subyacente evitando así el ablandamiento de la base portante y posterior degradación del pavimento.

Capa disipadora de esfuerzos: Con lo que se retarda la reflexión de grietas existentes en el pavimento deteriorado hacia la sobrecarpeta.

III.1.9.2. Ventajas.

Aumenta la vida útil del pavimento.

Disminuye los costos de mantenimiento. Incrementa el tiempo con condiciones satisfactorias de servicio del pavimento.

III.2. FILTRACIÓN.

El funcionamiento equilibrado del sistema geotextil-suelo que permita el flujo del líquido a través del plano del geotextil y que a la vez retenga las partículas de grano fino del suelo de acuerdo a los requerimientos del diseño. Figura (3.8) se muestra la situación de filtros por los geotextiles no tejidos (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, filtración, 2014) y en la figura (3.9) se muestra la conformación del sistema convencional de filtros de agregado y sistema con filtro geotextil (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, separación de camino, 2014).

97

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 3.8. Sustitución de filtro granular por Geotextil no tejido (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, filtración, 2014).

Figura 3.9. Sistema de filtros (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, separación de camino, 2014).

III.2.1. Factores a considerar para aplicaciones de filtración.

Definir tipo de obra, identificar si la naturaleza del proyecto es crítica o severa.

98

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Analizar condiciones de flujo. Determinar propiedades del suelo con el que se interactúa.

Aplicar criterio de diseño adecuado para la filtración: retención, taponamiento y permeabilidad.

Considerar para condiciones extremas llevar a cabo pruebas que simulen condiciones reales de filtración.

Resistencia adecuada a la sobrevivencia al procedimiento de construcción (Tabla AASHTO M288). Definir procedimiento de construcción apropiado.

III.2.2. Ejemplos de usos de filtros geotextiles no tejidos en caminos.

Figura 3.10. Filtros geotextiles (Uso de geotextiles en el drenaje subsuperficial o subdrenaje, ejemplo de usos de filtros geotextiles no tejidos en caminos, 2014).

99

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

CONCLUSIONES.

Las obras de drenaje y subdrenaje en proyectos carreteros son necesarias, ya que los objetivos básicos de estas obras son la preservación de la carretera, debido a la función social y económica que representa y el costo elevado de construcción de estos proyectos.

Por su importancia, el diseño y construcción de un sistema de drenaje requiere la realización de estudios del clima, suelo, hidrología y geología, ecológicos, a fin de prevenir o mitigar el impacto negativo al ambiente con la reducción al mínimo de los cambios al patrón de drenaje natural y disminución de la acción erosiva producida por el cambio de cauce de su transporte y su relación con los ecosistemas presentes.

xvii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

RECOMENDACIONES.

La recomendación que se da es que el drenaje en una carretera sea casi natural para evitar una obra muy costosa en cuanto a la construcción y mantenimiento. Geotécnicamente se debe escoger suelos permeables y naturalmente drenados.

Para que el drenaje tenga un buen funcionamiento es recomendable:

1. Evitar que el agua subterránea ascienda hasta la subrasante, ocasionando el deterioro del camino.

2. Evitar que el agua de arroyos sea remansada por los terraplenes, existiendo peligro de deslaves.

3. Evitar que los cortes de suelo se saturen y exista el peligro de derrumbes, deslizamiento y fallas.

4. Evitar que el agua de las cunetas reblandezca las terracerías disminuyendo y originando asentamientos que lleven a la destrucción del camino.

xviii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

BIBLIOGRAFIA

Nicholas J. Garber, Lester A. Hoel. Ingeniería de tránsito y carreteras. Editorial Thomson http://www.ingenieria.unam.mx/~posgradoingcivil/DocsGeotecnia/PropeFunMecSue2005 V1.pdf

http://www.bdigital.unal.edu.co/1864/7/cap6.pdf

http://www.carreteros.org/hispana/peru/11_peru.pdf

http://copernico.escuelaing.edu.co/vias/pagina_via/modulos/MODULO%205.pdf

http://www.dmtecnologias.com.mx/geotextiles/

http://www.wikivia.org/wikivia/index.php/Tipos_drenajes_subterr%C3%A1neos

file:///C:/Users/Admin/Downloads/librodeslizamientost2_cap2%20 (7).pdf

http://www.archiproducts.com/es/productos/72346/opere-stradali-elemento-y-canal-dedrenaje-canale-raccolta-acque-elemento-y-canal-de-drenaje-musilli.html

http://es.scribd.com/doc/115856352/obras-de-drenaje-y-subdrenaje-de-carreteras

http://www.carreteros.org/hispana/peru/11_peru.pdf

http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/8121/Capitulo5.pdf

xix

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

GLOSARIO DE TÉRMINOS.

AASTHO: Asociación Americana de Autoridades Estatales de Carreteras y Transporte (American Association of State Highway and Transportation Officials).

ASTM: American Society for Testing and Materials. Es una asociación internacional que define estándares de características de materiales.

CALZADA: Es la parte de la carretera destinada a la circulación de los vehículos.

ESCORRENTÍA: Es un término geológico de la hidrología, que hace referencia a la lámina de agua que circula sobre la superficie en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros del agua de lluvia escurrida y extendida. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real y la infiltración del sistema suelo.

HORMIGON: El hormigón o concreto es un compuesto, empleado en construcción formado esencialmente por un aglomerante al que se añade: partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos específicos.

NAPAS: Capas subterráneas de suelo cuyo alto contenido de agua, en los poros o fisuras, las convierte en depósitos utilizables de este líquido.

SUB-BASE: Capa de materiales seleccionados comprendida entre la sub-rasante y la base. Sus funciones son: Transmitir los esfuerzos a la capa subrasante en forma conveniente; constituir una transición entre los materiales de la base y de la capa sub-rasante, de modo tal que evite la contaminación y la interpenetración de dichos materiales; disminuir efectos perjudiciales en el pavimento, ocasionados por cambios volumétricos y rebote elástico del material de las terracerías o del terreno de cimentación; y reducir el costo del pavimento, ya que es una capa que por estar bajo la base queda sujeta a menores esfuerzos y requiere de especificaciones menos rígidas, mismas que pueden satisfacerse normalmente con un material más barato que el de la base.

xx

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

SUBRASANTE: Superficie terminada de la carretera a nivel de movimiento de tierras (corte o relleno), sobre la cual se coloca la estructura del pavimento o afirmado.

SUMIDERO: Agujero y conducto por donde sale el agua de un recipiente o del lugar en que están contenida.

SURGENCIA DE FINOS: Fenómeno que se manifiesta por la eyección, a través de las juntas, grietas y bordes del pavimento, de material fino de la base o sub-base, tanto seco como húmedo. Se origina en la succión que provoca el movimiento vertical debido a la carga y descarga de las losas móviles de un pavimento rígido.

VAGUADA: Sistemas de vientos, donde el aire se mueve horizontalmente con carácter ciclónico en forma ondulatoria o de onda.

ZAMPEADO:

Obras

de

cimentación

con

recubrimiento

de

las

superficies

mediante mampostería de piedra, o de ladrillo, de concreto hidráulico o suelo-cemento para afirmar terrenos falsos y protegerlos contra la erosión.

FHWA: Administración federal de carreteras. Federal Highway Administration.

ANISOTROPÍA: Es la propiedad general de la materia según la cual cualidades: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de luz etc. Varían según la dirección en que son examinadas.

FIBRILADAS: Producto resultante de un laminado longitudinal de una película eventualmente cortada de una lámina o de una banda y que se caracteriza por el hecho que comporta fisuras longitudinales descomponiéndola en fibrillas que permanecen unidas entre ellas de forma regular o irregular por puntos de adherencia transversal.

xxi

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO I. DRENAJE SUPERFICIAL. Figura1.1. Ubicación de los distintos sistemas de recogida de aguas pluviales ..................... 7 Figura 1.2. Tipología general de cunetas ............................................................................... 8 Figura 1.3. Cuneta tipo ......................................................................................................... 10 Figura 1.4. Tipología de caces ............................................................................................. 13 Figura 1.5. Tipos de sumideros horizontales empleados en carreteras ................................ 16 Figura 1.6. Elementos de un sumidero lateral ...................................................................... 19 Figura 1.7. Diseño de un badén en carreteras ....................................................................... 39 Figura 1.8. Proyección de vado en un camino ...................................................................... 41 Figura 1.9. Puente librando un arroyo .................................................................................. 42 Figura 1.10. Alcantarilla típica,losa de concreto .................................................................. 42 Figura 1.11. Alcantarilla con losa ........................................................................................ 43 CAPÍTULO II. DRENAJE SUBTERRÁNEO.

Figura 2.1. Constitución de un dren subterráneo .................................................................. 45 Figura 2.2. Dren subterráneo ................................................................................................ 47 Figura 2.3. Caja de registro .................................................................................................. 48 Figura 2.4. Buzón de registro ............................................................................................... 49 Figura 2.5. Capa permeable .................................................................................................. 50 Figura 2.6. Capa permeable y capa permeable bajo la sub-base o como parte de ella ......... 51 Figura 2.7. Subdrén longitudinal .......................................................................................... 52 Figura 2.8. Disposición general que deben tener los drenes subterráneos ........................... 53 Figura 2.9. Encauce del agua por filtración en el pavimento ............................................... 53

xxii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.10. Nivel freático.................................................................................................... 54 Figura 2.11. Orificios de tuberías perforadas en la mitad inferior de la superficie del tubo 56 Figura 2.12. Tubería longitudinal ......................................................................................... 57 Figura 2.13. Esquema general de una tubería de descarga ................................................... 63 Figura 2.14. Cabezal de salida en una carretera ................................................................... 64 Figura 2.15. Drenes longitudinales en carreteras a media ladera y en trinchera, respectivamente .................................................................................................................... 64 Figura 2.16. Drenaje en espina de pez .................................................................................. 66 Figura 2.17. Dren de intersección transversal ...................................................................... 66 Figura 2.18. Cohesión en suelos ........................................................................................... 67 Figura 2.19. Muestra la fricción interna en suelos ............................................................... 68 Figura 2.20. Muestra la compresibilidad en el suelo ............................................................ 69 Figura 2.21. Muestra la permeabilidad en el suelo ............................................................... 70 Figura 2.22. Capilaridad en los suelos .................................................................................. 72 Figura 2.23. Esquema de una cortina impermeable.............................................................. 73 Figura 2.24. Cortina impermeable para estabilizar un deslizamiento .................................. 74 Figura 2.25. Construcción de pantallas Slurry ..................................................................... 75 Figura 2.26. Traslape de inyección ....................................................................................... 77 Figura 2.27. Construción de una pantalla mezcla suelo cemento ......................................... 78 Figura 2.28. Diagramas de colchones de drenaje colocado debajo de un terráplen ............. 78 Figura 2.29. Túnel de drenaje para estabilizar el deslizamiento del estribo ......................... 80 Figura 2.30. Pozos verticales con subdrenes de penetración en el terraplén de una carretera .............................................................................................................................................. 81 Figura 2.31. Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una vía ........................................................................................................................................ 82

xxiii

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Figura 2.32. Principio de un sistema de pozo vertical con drenes horizontales para estabilización de deslizamientos .......................................................................................... 83 Figura 2.33. Pozos verticales de sub-drenaje utilizado un sistema de bombeo y sifón ....... 84 Figura 2.34. Ejemplos de subdrenes de pantalla .................................................................. 85 CAPÍTULO III. GEOTEXTILES. Figura 3.1. Geotextil ............................................................................................................. 87 Figura 3.2. Sistema de subdrenaje tradicional ...................................................................... 88 Figura 3.3. Geotextil no tejido en carreteras ........................................................................ 91 Figura 3.4. Sección transversal de una estructura sin y con geotextil de separación .......... 92 Figura 3.5. Geotextil como elemento estructural ................................................................ 93 Figura 3.6. Geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos ...................... 94 Figura 3.7. Lineamientos de instalación del geotextil no tejido .......................................... 96 Figura 3.8. Sustitución de filtros granular por geotextil no tejido........................................ 98 Figura 3.9. Sistema de filtros ................................................................................................ 98 Figura 3.10. Filtros geotextiles ............................................................................................. 99

xxiv

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Distribución superficial de la cuenca por municipio ........................................... 10 Tabla 1.2. Gastos y velocidades en las cunetas tipo para tirantes de agua de 30 cm con diferentes pendientes ............................................................................................................ 11 Tabla 1.3. Velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales ...................... 12 Tabla 1.4. Las zonas adecuadas para el desagüe superficial ................................................ 14 Tabla 1.5. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning .............................................. 29 Tabla 1.6. Velocidades máximas admisibles (m/s) en conductos revestidos ....................... 30 Tabla 1.7. Velocidades máximas admisibles (m/s) en canales no revestidos ...................... 30 Tabla 2.1. Profundidades mínimas para la tubería de subdrenes longitudinales .................. 56 Tabla 2.2. Valores de K para diferentes diametros de tubería y coeficiente de rugosidad... 59

xxv

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ANEXO A.

PRUEBA DE PERMEABILIDAD EN LABORATORIO.

La prueba consiste en medir la cantidad de líquido que atraviesa la muestra de suelo en un tiempo determinado, En la figura aparece el diagrama del dispositivo utilizado.

Al ejecutar la prueba se llena de líquido el tubo vertical de lucita observándose su descenso a medida que el fluido atraviesa la muestra. Con referencia a la figura se tiene que: “a” Área del tubo vertical, “A” Área de la muestra, “L” Longitud de la muestra, “h1” Carga hidráulica al principio de la prueba, “h2” Carga hidráulica al final de la prueba, “t” Tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2.

Colocación de la muestra y líquido en el permeámetro.

Considerando un tiempo dt, la cantidad de líquido (cm3) que atraviesa la muestra será, según la ley de Darcy:

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Al mismo tiempo, en el tubo vertical el agua habrá tenido un descenso dh y el volumen de líquido que atravesó la muestra en el tiempo dt podrá expresarse como:

Las dos expresiones anteriores pueden igualarse, pues ambas se refieren a lo mismo:

Por lo tanto:

Formula (1.1)

EQUIPO

NECESARIO

PARA

PRUEBA

DE

PERMEABILIDAD

EN

LABORATORIO.

Para la realización de la prueba de permeabilidad en laboratorio se debe reunir el siguiente equipo: permeámetro con muestra inalterada, tela de malla No 100, tubo alimentador, parafina, cera, cronómetro, fluxómetro, vernier, recipiente receptor de vidrio, hoja de registro de datos, cuchillos, estufa de gas, balanza, probeta graduada, líquido a utilizar.

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA.

El registro ordenado de los datos que se obtienen durante la prueba, aparecen en el formato mostrado en la figura.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Se debe quitar el casco metálico del permeámetro y enrasar el suelo utilizando un cuchillo, el enrase debe ser al nivel de la parte inferior del tubo, se determinan los datos previos para llenar el formato respectivo.

Para evitar que el fluido se mine entre las paredes del tubo y la muestra inalterada, es necesario colocar un sello, el cual consiste en una capa de parafina mezclada con cera en una proporción 70/30 respectivamente. La mezcla se realiza con la finalidad de darle adherencia al sello con las paredes del tubo y evitar el agrietamiento del sello.

Se debe colocar el tubo con la muestra sobre un cristal limpio y sellar con plastilina, la junta existente entre el tubo y el cristal. La temperatura a la que se calienta la parafina, debe ser tal, que sea la necesaria para que alcance una consistencia líquida.

Con auxilio del tubo alimentador y un embudo se debe hacer llegar la mezcla líquida sobre los extremos de la muestra inalterada hasta su nivel superior. Se dejará enfriar la mezcla hasta que alcance una consistencia dura.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

Se separa el tubo de la base de cristal y se limpia la plastilina. Una vez que se tiene la muestra sellada en el tubo se procede a colocar el casco metálico con la respectiva malla y junta.

Se coloca todo el dispositivo sobre la base metálica, se limpia el tubo alimentador y se coloca dentro del tubo de lucita, descansándolo sobre la muestra de suelo, posteriormente se coloca el recipiente de vidrio que sirve de receptor del líquido que atraviesa el suelo.

Una vez realizado lo anterior, se vierte el líquido sobre el embudo del tubo alimentador hasta una altura previamente determinada, cuando el líquido alcance el nivel requerido se retira el tubo y se pone en marcha el cronómetro; tomando las lecturas de los abatimientos y el tiempo respectivo.

Cuando la mayor parte del líquido ha atravesado la muestra, finaliza el registro, se retira el casco de acero y se pesa nuevamente el dispositivo; la diferencia en peso es lo que ganó de retención de fluido el suelo. Finalmente se aplica la fórmula (1.1) para obtener el coeficiente de permeabilidad media.

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

ANEXO B.

Valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n).

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS

DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS